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3.2.2: Die Rolle von Viren bei der Tumorbildung - Biologie

3.2.2: Die Rolle von Viren bei der Tumorbildung - Biologie


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Lernziele

  1. Beschreiben Sie, wie bestimmte Viren zur Entwicklung von Tumoren beitragen können, indem sie Proto-Onkogene oder Tumorsuppressorgene verändern.
  2. Nennen Sie 3 Viren, die an Krebserkrankungen des Menschen beteiligt sind.

Es wird angenommen, dass fünf Viren, das Hepatitis-B-Virus (HBV), das Hepatitis-C-Virus (HCV), das humane Papillomavirus (HPV), das Epstein-Barr-Virus (EBV) und das humane T-lymphotrope Virus Typ I (HTLV-I) dazu beitragen über 15 % aller Krebserkrankungen weltweit. Bis zu 80 % dieser humanen viral-assoziierten Krebsarten sind Gebärmutterhalskrebs (in Verbindung mit HPV) und Leberkrebs (in Verbindung mit HBV und HCV).

Das Hepatitis-B-Virus (HBV) ist ein DNA-Virus, das bei Infizierten möglicherweise eine chronische Hepatitis verursachen kann. Es besteht ein starker Zusammenhang zwischen einer chronischen Infektion mit HBV und einem hepatozellulären Karzinom, das typischerweise nach 30-50 Jahren chronischer Leberschädigung und Leberzellersatz auftritt. Chronische Träger von HBV haben ein 300-mal höheres Risiko, an Leberkrebs zu erkranken. Etwa 90 % der bei der Geburt infizierten Personen und 10 % der im Erwachsenenalter infizierten Personen werden zu chronischen HBV-Trägern. In den USA gibt es etwa eine Million chronische HBV-Träger. Weltweit ist HBV für 60 % aller Leberkrebsfälle verantwortlich.

Das Hepatitis-C-Virus (HCV) ist ein RNA-Virus, das bei Infizierten auch eine chronische Hepatitis verursachen kann. Wie bei HBV besteht ein starker Zusammenhang zwischen einer chronischen Infektion mit HCV und Leberkrebs, der typischerweise nach 30-50 Jahren chronischer Leberschädigung und Leberzellersatz auftritt. Ungefähr 85 % der mit HCV infizierten Personen werden chronische Träger und es gibt ungefähr vier Millionen chronische Träger von HCV in den USA. HCV ist weltweit für 22 % aller Leberkrebsfälle verantwortlich.

Für Warzen sind die Humanen Papillomaviren (HPV) verantwortlich. Während Warzen im Allgemeinen als gutartige Tumore gelten, wurden einige sexuell übertragbare HPV-Stämme (HPV-16 und 18 sind beim Menschen definitiv krebserregend; HPV-31 und 33 sind wahrscheinlich krebserregend) mit Gebärmutterhals- und Vulvakrebs, Rektumkrebs, und Plattenepithelkarzinom des Penis. In diesen Tumorzellen wird die virale DNA normalerweise in die Chromosomen der Wirtszelle integriert gefunden. In den USA sind HPVs jedes Jahr mit 82 % der Todesfälle aufgrund von Gebärmutterhalskrebs sowie mit einer Million präkanzeröser Läsionen verbunden.

Das Epstein-Barr-Virus (EBV), ein Herpesvirus, verursacht normalerweise gutartige Wucherungen wie infektiöse Mononukleose und Haarleukoplakie der Zunge. Es kann jedoch zum Non-Hodgkin-Lymphom bei AIDS-Patienten und lymphoproliferativen Erkrankungen nach der Transplantation beitragen, scheint bei einigen Personen ein wesentlicher Faktor für den hinteren Nasenrachenkrebs zu sein, kann ein Co-Faktor für das Burkitt-Lymphom sein und trägt zur glatten Muskulatur bei Tumoren bei immunsupprimierten Kindern.

Das Retrovirus humanes T-lymphotropes Virus Typ I (HTLV-I) kann ein seltenes adultes T-Lymphozyten-Leukämie-Lymphom induzieren.

Wie bereits erwähnt, ist die Entwicklung von Tumoren ein mehrstufiger Prozess, der von der Anhäufung von Mutationen abhängt, die eine Reihe von Genen verändern. Die veränderten Gene funktionieren dann gemeinsam, um bösartiges Wachstum zu verursachen.

Viren können jedoch sowohl indirekt als auch direkt eine Rolle bei der Krebsentstehung spielen. Indirekt können die Viren eine Immunsuppression induzieren, sodass Krebszellen nicht durch Immunreaktionen entfernt werden, wie im Fall von HIV/AIDS, oder sie können Gewebe langfristig schädigen, was zu einer groß angelegten Zellregeneration führt, was die Wahrscheinlichkeit einer natürlichen Mutation erhöht Proto-Onkogene und Tumorsuppressorgene, wie im Fall von HBV und HCV. Direkt durch die Integration in die Chromosomen der Wirtszelle können einige Viren die normale Funktion der Proto-Onkogene und Tumorsuppressorgene verändern, wie dies bei HPV und HBV zu sehen ist.

Die meisten virusassoziierten Krebsarten haben jedoch lange Latenzzeiten von mehreren Jahrzehnten und nur ein kleiner Prozentsatz der mit dem Virus infizierten Menschen entwickelt den Krebs tatsächlich. Dies weist darauf hin, dass auch andere Faktoren beteiligt sind, die Veränderungen in zellulären Genen begünstigen. Zum Beispiel bei Gebärmutterhalskrebs und HPV, zwei Varianten eines Tumorsuppressorgens, bekannt als p53 sind bekannt. Eine Form der p53 Gen produziert ein Suppressorprotein, das viel anfälliger für den Abbau durch ein Onkoprotein namens E6 ist, das von krebserregenden HPV-Stämmen produziert wird.

Nennen Sie die drei häufigsten Krebsviren in den USA und nennen Sie die Krebsarten, mit denen sie in Verbindung gebracht werden.

Medscape-Artikel über Infektionen im Zusammenhang mit Organismen, die in diesem Lernobjekt erwähnt werden. Die Registrierung für den Zugriff auf diese Website ist kostenlos.

  • Hepatitis B
  • Hepatitis C
  • Humanes Papillomavirus
  • Infektiöse Mononukleose
  • Humane lymphotrope T-Zell-Viren
  • Leberkarzinom
  • Gebärmutterhalskrebs

Zusammenfassung

  1. Viren sind für etwa 15 % der weltweiten Krebserkrankungen verantwortlich.
  2. Bis zu 80 % dieser humanen viralen Krebserkrankungen sind Gebärmutterhalskrebs (verbunden mit dem humanen Papillomavirus oder HPV) und Leberkrebs (verbunden mit dem Hepatitis-B-Virus oder HBV und dem Hepatitis-C-Virus oder HCV).
  3. Auch das Epstein-Barr-Virus (EBV) und das humane T-lymphotrope Virus Typ I (HTLV-I) erhöhen das Risiko für bestimmte Krebsarten.
  4. Die Entwicklung von Tumoren ist ein mehrstufiger Prozess, der von der Anhäufung von Mutationen abhängt, die eine Reihe von Genen verändern.
  5. Die meisten virusassoziierten Krebsarten haben lange Latenzzeiten von mehreren Jahrzehnten und nur ein kleiner Prozentsatz der mit dem Virus infizierten Menschen entwickelt den Krebs tatsächlich. Dies weist darauf hin, dass auch andere Faktoren beteiligt sind, die Veränderungen in zellulären Genen begünstigen.

Die Rolle von IFN-gamma beim Schutz vor Tumorentwicklung und Krebsimmunediting

Interferon-gamma (IFN-gamma) ist ein Zytokin, das eine physiologisch wichtige Rolle bei der Förderung der angeborenen und adaptiven Immunantwort spielt. Das Fehlen von IFN-gamma-Produktion oder zellulärer Reaktionsfähigkeit bei Menschen und Versuchstieren prädisponiert den Wirt signifikant für eine mikrobielle Infektion, ein Ergebnis, das die physiologische Bedeutung dieses Zytokins bei der Prävention von Infektionskrankheiten bestätigt. Vor kurzem wurde eine zusätzliche Rolle von IFN-gamma bei der Verhinderung der Entwicklung von primären und transplantierten Tumoren identifiziert. Obwohl inzwischen ein Konsens darüber zu bestehen scheint, dass IFN-gamma die Wirtsreaktionen auf Tumore fördert, bleiben die Mechanismen, durch die dieses Zytokin seine Wirkung erzielt, unklar. In diesem Review diskutieren wir kurz die wichtigsten Fragen der molekularen Zellbiologie von IFN-gamma und seinem Rezeptor, die für die IFN-gamma-abhängigen Antitumorwirkungen am relevantesten sind, und konzentrieren uns dann auf die Daten, die IFN-gamma als kritische Komponente des Immunsystems implizieren, die Tumorentwicklung. Potenzielle Mechanismen, die den Antitumorwirkungen von IFN-gamma zugrunde liegen, werden diskutiert und ein vorläufiges integratives Modell der Wirkungen von IFN-gamma auf Tumore wird vorgeschlagen. Schließlich wird die Fähigkeit von IFN-Gamma und -Lymphozyten, nicht nur Schutz gegen Tumorentwicklung bereitzustellen, sondern auch den immunogenen Phänotyp von Tumoren, die sich in einem immunkompetenten Wirt entwickeln, zu formen, vorgestellt und als "Krebs-Immunoediting"-Verfahren vorgestellt.


Interferone: Bedeutung, Herstellung und Anwendung

Interferone sind natürliche Glykoproteine, die von virusinfizierten eukaryontischen Zellen produziert werden und die Wirtszellen vor einer Virusinfektion schützen. Sie wurden 1957 von Isaacs und Lindenmann im Rahmen einer Studie über die Wirkung von UV-inaktivierten Influenzaviren auf die Chorioallantoismembran von Küken entdeckt, die in einem künstlichen Medium gehalten wurden.

Sie beobachteten, dass die infizierte Membran eine lösliche Substanz im Medium produzierte, die die Vermehrung des aktiven Influenzavirus, das in frische Chorioallantoismembranen von Hühnern geimpft wurde, hemmen konnte. Die Substanz wurde Interferon genannt, weil sie die intrazelluläre Vermehrung von Viren störte.

Spätere Beobachtungen bestätigten, dass solche vom Wirt produzierten antiviralen Substanzen vielen Viren gemeinsam waren. Virusinterferenz ist ein Phänomen, das beobachtet wird, wenn die Vermehrung eines Virus durch ein anderes Virus gehemmt wird. Wenn beispielsweise Influenza-A-Virus in die Allantoishöhle eines embryonierten Eies geimpft wird, gefolgt von Influenza-B-Virus nach 24 Stunden, wird die Vermehrung des Influenza-B-Virus teilweise oder vollständig gehemmt. Der Grund, warum sich das Influenza-B-Virus nicht vermehren kann, ist, dass die mit dem Influenza-A-Virus infizierten Zellen Interferon produzieren, das die Vermehrung des B-Virus teilweise oder vollständig hemmt. Das Interferon schützt die Zellen auch vor dem Influenza-A-Virus.

Eigenschaften von Interferonen:

Ein herausragendes Merkmal von Interferonen ist, dass sie wirtszellspezifisch und nicht virusspezifisch sind. Dies bedeutet, dass von Mäusen oder Hühnern produzierte Interferone menschliche Zellen nicht vor dem gleichen Virus schützen, das bei den Versuchstieren Interferon induzierte. Andererseits schützt ein von einem Virus X in einem Tier produziertes Interferon das Tier auch vor anderen Viren.

Dies liegt daran, dass Interferone nicht direkt mit den Viren interagieren. Aber sie veranlassen die virusinfizierten Zellen, antivirale Proteine ​​zu synthetisieren, die die virale Vermehrung hemmen. Diese Proteine ​​haben ein breites Hemmspektrum. Dadurch wird nicht nur das Interferon-induzierende Virus, sondern auch andere gehemmt.

Der Grund, warum Interferon, das von einer Spezies produziert wird, eine andere Spezies nicht schützt, ist, dass das gleiche Virus bei verschiedenen Spezies unterschiedliche Interferone produziert. Es wurde beobachtet, dass sich Interferone, die von verschiedenen Wirtsarten nach einer Infektion mit demselben Virus produziert werden, im Molekulargewicht sowie in anderen Eigenschaften, wie dem isoelektrischen Punkt usw. unterscheiden. Nicht nur verschiedene Arten produzieren verschiedene Interferone, auch verschiedene Gewebe desselben Tieres produzieren verschiedene Interferone .

Alle Arten von Interferonen sind Proteine ​​mit einem vergleichsweise niedrigen Molekulargewicht im Bereich von 15.000 bis 40.000 Dalton. Daher sind sie nicht dialysierbar und werden durch proteolytische Enzyme zerstört. Interferone sind bei niedrigem pH-Wert (pH2) ziemlich stabil und können mäßigen Temperaturen standhalten, die etwa eine Stunde lang bei 37 °C stabil sind. Sie werden in winzigen Mengen von den infizierten Zellen als längerer Vorläufer mit 23 Aminosäureresten mehr als das reife Molekül produziert.

Menschliche Interferone sind von drei Haupttypen. Diese werden Alpha-Interferone (α-IFN), Beta-Interferone (β-IFN) und Gamma-Interferone (γ-IFN) genannt. Alpha-Interferon enthält viele Subtypen. Die Gesamtzahl der Subtypen übersteigt 20.

Es wird von den B-Lymphozyten, Monozyten und Makrophagen produziert. β-IFN wird von den Fibroblasten im Bindegewebe produziert. γ-IFN wird von den T-Lymphozyten synthetisiert, nachdem sie durch Antigene aktiviert wurden. Es wurde gezeigt, dass α-IFN von bis zu 20 verschiedenen chromosomalen Genen kodiert wird, was darauf hinweist, dass die Subtypen dieses Interferons eine Familie eng verwandter Proteine ​​darstellen.

β-IFN scheint ein Glykoprotein zu sein. Es wird von einem einzigen menschlichen Gen kodiert. Alle Gene von α-IFN und β-IFN befinden sich auf dem kurzen Arm des menschlichen Chromosoms 9. α-IFN-Proteine ​​sind alle 166 Aminosäuren lang (außer einer). Sie sind nicht glykosyliert und die Proteine ​​sind monomer. Das einzelne β-IFN-Protein ist ebenfalls 166 Aminosäuren lang und ein Glykoprotein. Es ist dimer.

Produktion von Interferonen:

Interferone werden von lebenden Tierzellen produziert, sowohl in vivo als auch in kultivierten Zellen. Die Interferonproduktion und seine antivirale Aktivität erfordern die Expression zellulärer Gene, und diese Funktionen werden durch Inhibitoren der Transkription und Translation blockiert. Somit produzieren virusinfizierte Wirtszellen in Gegenwart von Actinomycin D, einem Inhibitor der eukaryotischen RNA-Polymerase, kein Interferon. Wenn der Inhibitor nach 2 Stunden Infektion zugegeben wird, wird die Interferonproduktion nicht gehemmt, was darauf hindeutet, dass die Transkription zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen ist.

Die Interferonproduktion beginnt nach Beginn der viralen Reifung und dauert 20 bis 50 Stunden danach. Dann stoppt die Produktion aufgrund der Bildung eines Repressors, der vermutlich erst gebildet oder aktiviert wird, wenn die Interferonkonzentration in der produzierenden Zelle eine bestimmte Schwellenkonzentration überschreitet. Das meiste Interferon wird von der produzierenden Zelle zu anderen Nachbarzellen transportiert.

Die Substanz in einem Virus, die für die Interferon-Synthese durch die Wirtszelle verantwortlich ist, wird als Interferon-Induktor bezeichnet. Die Natur dieser Substanz wurde von Merigan (1970) als doppelsträngige RNA identifiziert. Die Aktivität scheint in Polyribonukleotiden mit einem hohen Helixgehalt zu liegen. Die doppelsträngigen RNA-Viren können – wie Reoviren – ohne Replikation als Interferon-Induktor wirken. Einzelsträngige RNA-Viren können erst nach der Replikation als Induktoren wirken, wenn sie doppelsträngige replikative Zwischenprodukte bilden. DNA-Viren können auch Interferone induzieren, vermutlich aufgrund einer überlappenden Transkription viraler DNA, wie sie bei Vaccinia vinus beobachtet wird (Abb. 6.39).

Auch Pilzviren mit meist doppelsträngigen RNA-Genomen sind effiziente Induktoren von Interferonen. Gute Induktoren sind auch einige synthetische Polymere mit Riboinosinsäure, Ribocytidylsäure (Poly I: C) sowie solche mit Riboadenylsäure und Ribouridylsäure (Poly A: U). Alle Interferon-Induktoren zeichnen sich durch hohes Molekulargewicht, hohe Dichte anionischer Gruppen und Beständigkeit gegen enzymatischen Abbau aus. Es wurde gefunden, dass DNA- und DNA-RNA-Hybride als Interferon-Induktoren unwirksam sind.

Die Induktion der Interferonsynthese betrifft α- und β-Interferone, die zu einer einzigen Klasse gehören, die als Typ I bezeichnet wird. Gamma-Interferon gehört zu einer separaten Klasse, die als Typ II bezeichnet wird. Das humane Υ-Interferon ist der einzige Vertreter seiner Art. Das Gen, das das y-Interferon-Protein kodiert, befindet sich auf dem langen Arm von Chromosom 12. Das Gen hat drei Introns, während die Gene von α- und β-Interferonen keine Introns haben. Gamma-Interferon (human) hat 146 Aminosäuren und ist ein N-glykosyliertes tetrameres Protein. Es wird durch antigene Stimulation von T-Lymphozyten induziert.

In Gegenwart des Induktors, der virale ds-RNA ist, werden die α- und β-Interferon-Gene des/der Wirtschromosom(s) aktiviert, um Interferon-m-RNAs zu produzieren. Diese werden dann in α- und β-Interferonproteine ​​übersetzt. Diese Proteine ​​reichern sich zunächst in der produzierenden Zelle an und verlassen schließlich die Zelle, um benachbarte Wirtszellen zu erreichen.

Wenn die Interferonkonzentration in der produzierenden Zelle über einen Schwellenwert steigt, aktiviert es ein anderes Gen der produzierenden Zelle, das für ein Repressorprotein kodiert, das rückkoppelt und die weitere Synthese von Interferon stoppt. Dadurch produzieren virusinfizierte Zellen im Allgemeinen nur geringe Mengen an Interferonen.

Die Interferonmoleküle, die die produzierende Zelle verlassen, erreichen die benachbarten nicht infizierten Wirtszellen und interagieren mit der Zellmembran oder den Kernmembranrezeptoren dieser Zellen. Dadurch werden diese Zellen dazu gebracht, antivirale Proteine ​​zu synthetisieren. Diese antiviralen Proteine ​​sind die eigentlichen Mittel, die diese Wirtszellen vor einer Virusinfektion schützen.

Wirkmechanismus von Interferonen:

Interferone vom Typ I umfassen α-IFN und β-IFN. Diese Interferone interagieren nicht direkt mit den Viren, was ihre Hemmung bewirkt, aber sie induzieren die Bildung von antiviralen Proteinen, die aktiviert werden, um die virale Vermehrung zu hemmen. Diese Interferon-regulierten Proteine ​​(IRPs) wirken vermutlich durch Blockieren der Synthese der makromolekularen Komponenten, die für die Virusvermehrung notwendig sind.

Ein allgemeines Schema für den Wirkmechanismus von Typ-I-Interferonen ist in Abb. 6.40 dargestellt:

Mehrere Interferon-regulierte Wirtsproteine ​​(IRPs) wurden identifiziert, obwohl nicht alle vollständig charakterisiert wurden. Zu den bekannteren dieser Proteine ​​gehören eine Proteinkinase und ein Enzym, das die Bildung eines kurzen Polymers der Adenylsäure katalysiert, der 2′,5′-Oligoadenylat-Synthetase (2′-5′ A-Synthetase).

Die Proteinkinase wird durch Typ-I-Interferone induziert. Es muss durch ds-RNA aktiviert werden. Die aktivierte Kinase katalysiert die Phosphorylierung des Initiationsfaktors (el F-2) und bewirkt dadurch eine Hemmung der Proteinsynthese (Abb. 6.41).

Die 2′-5′-Oligoadenylat-Synthetase ist ein ebenfalls durch Typ-I-Interferone induziertes Enzym, das wie die Proteinkinase eine Aktivierung durch ds-RNA erfordert. Die aktivierte Synthetase wirkt als Aktivator einer Endonuklease, RNase L. Die aktivierte RNAse baut virale ss-RNA ab (Abb. 6.42).

Eine andere Gruppe von Proteinen, genannt Mx-Proteine, die durch α- und β-IFN induziert werden, besitzen bekanntlich eine intrinsische antivirale Aktivität, obwohl der genaue molekulare Mechanismus, durch den sie die virale Vermehrung hemmen, nicht bekannt ist. mx- Es wurde berichtet, dass Proteine ​​eine wichtige kontrollierende Rolle bei Infektionen spielen, die durch Influenzaviren sowohl bei Versuchstieren als auch beim Menschen verursacht werden.

Interferon vom Typ II umfasst g-IFN, das auch als Immun-IFN bekannt ist. Obwohl g-IFN auch antivirale Aktivität besitzt, liegt seine Hauptrolle bei der Immunität durch Aktivierung von zytotoxischen T-Lymphozyten, die virusinfizierte Zellen zerstören können. Neben T-Lymphozyten werden auch andere natürlich vorkommende Killerzellen wie Makrophagen und Monozyten durch g-IFN aktiviert. Somit wird im Gegensatz zu Typ I-Interferonen die antivirale Wirkung von g-IFN durch die Aktivierung der Killerzellen des Körpers ausgedrückt, die die virusinfizierten Zellen zerstören.

Interferon vom Typ II induziert die wichtigsten Histokompatibilitätsantigene menschlicher Zellen. Die Expression dieser Antigene ist für immunpotente Zellen essentiell, um den T-Lymphozyten während der Erzeugung spezifischer Immunantworten fremde Antigene zu präsentieren.

Die IFN-induzierte Expression dieser Haupthistokompatibilitätsantigene stellt einen wichtigen Beitrag zur antiviralen Aktivität von g-IFN durch die Verstärkung der Aktivität zytotoxischer T-Lymphozyten dar. Die Aktivierung zytotoxischer T-Lymphozyten durch y-IFN impliziert auch seine mögliche Rolle bei der Eliminierung von Krebszellen, die vom Immunsystem des Körpers als Fremdkörper erkannt werden.

Anwendungen von Interferonen:

Interferone könnten ideale Mittel zur Bekämpfung von Viruserkrankungen sein. Sie hemmen die virale Vermehrung bei einer so niedrigen Konzentration, die für nicht infizierte Zellen nicht toxisch ist. Ein Interferon kann viele Viren hemmen. Aber es gibt gewisse Nachteile, die in ihrer Verwendung bestehen.

Erstens muss Interferon für die Anwendung beim Menschen humanen Ursprungs sein, obwohl Interferone, die in Affennierenzellkulturen hergestellt werden, auch beim Menschen wirksam sind. Interferone werden in sehr geringen Mengen hergestellt und sind für die klinische Anwendung nur schwer in ausreichender Menge in reiner Form erhältlich. Ein weiterer Faktor ist, dass Interferone nur kurzzeitig wirksam sind und als solche nur gegen akute Infektionen wie Influenza eingesetzt werden können.

Die Schwierigkeit, eine ausreichende Menge an reinem Interferon für die klinische Verwendung zu erhalten, wurde durch Klonieren der menschlichen α-IFN- und β-IFN-Gene in Bakterien und Hefe überwunden.Durch die Züchtung dieser transgenen Organismen in Massenkultur ist es gelungen, klinisch verwendbare Interferone in ausreichend großen Mengen zu gewinnen. Alpha-Interferon wurde 1984 unter dem Handelsnamen Intron A vermarktet.

In den folgenden Jahren wurde dieses biotechnologisch hergestellte Interferon für den klinischen Einsatz gegen Krankheiten wie Herpes genitalis, verursacht durch Herpes-Viren, Hepatitis B und C, zugelassen. Beta-Interferon wurde ebenfalls biotechnologisch hergestellt und unter dem Handelsnamen Betaseron vermarktet. Es wurde bei einer Krankheit namens Multiple Sklerose eingesetzt. Ein rekombinantes g-Interferon hat sich als wirksam gegen eine vererbte chronische Krankheit, die als Granulomatose bezeichnet wird, erwiesen.

Die Neutrophilen des betroffenen Individuums sind nicht in der Lage, die infektiösen Bakterien abzutöten. Die Anwendung von y-IFN bei solchen Personen stellt die Fähigkeit der Neutrophilen wieder her, Bakterien abzutöten. Da die Krankheit chronisch und vererbt ist, müssen die Betroffenen lebenslang g-IFN einnehmen, um normal zu bleiben.

Interferone sind nicht nur antiviral, sondern haben auch krebshemmende Wirkung. Klinische Studien haben gezeigt, dass Interferone nur gegen einige Tumorarten wirken. Alpha-Interferon wurde zur Behandlung von Haarzell-Leukämie und Kaposi-Sarkom, einer Krebsart, die bei AIDS-Patienten auftritt, zugelassen.

Gamma-Interferon wurde hauptsächlich als Immunstimulans bei Krebspatienten verwendet. Die Resistenz gegen Tumore im Körper wird durch die Immunantwort gegen Tumorantigene gesteuert. Die zytotoxischen T-Lymphozyten erkennen diese Antigene als fremd und zerstören sie. Gamma-Interferon kann die zytotoxische Funktion von T-Lymphozyten und anderen natürlichen Killerzellen des Körpers stimulieren und damit helfen, die Tumorzellen zu kontrollieren.


2- Nützliche Viren in der Landwirtschaft

Gentechnik und Modifikationsmethoden können verwendet werden, um modifizierte Genome herzustellen, die durch Viren, die als Vektoren oder Vehikel fungieren, zu Pflanzen und Tieren transportiert werden können. Diese Methode kann zu produktiveren transgenen Tieren und Pflanzen führen. Wissenschaftler haben erfolgreich verschiedene Gene wie Herbizidtoleranz, hohe Stickstofffixierung, viel Lysin (in Mais), erhöhte Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten in Pflanzen induziert, indem sie ein Virus als Genträger und Vektor verwendet haben.

Trockenheitstolerant

In einem Experiment wurde festgestellt, dass alle virusinfizierten Pflanzen viel trockener tolerant waren.
Im Yellowstone-Nationalpark können die Bodentemperaturen in geothermischen Gebieten ziemlich hoch werden, aber einige Pflanzen können an diesen Standorten mit Bodentemperaturen von 115 ° F sehr gut wachsen.

Nach einigen Jahren entdeckten andere Forscher, dass die Pflanze von einem Pilz besiedelt war. Ohne den Pilz könnte die Pflanze keine Hitze vertragen. Danach wurde entdeckt, dass sich ein Virus in dem Pilz befand. Die bei Pflanzen charakteristische Hitzetoleranz wurde also durch virale Induktion bei Pflanzen induziert.

Dürre-gestresste Reispflanzen nach sechs Tagen ohne Wasser. Die rechte Pflanze ist mit dem Brommosaikvirus infiziert, die linke ist “gesund” (d.h. virusfrei).

Verwendung von Viren in der biologischen Schädlingsbekämpfung

    kann auch verwendet werden, um schädliche Schädlinge zu bekämpfen. Traditionell wird dies in der Landwirtschaft eingesetzt, aber es gibt auch Anwendungen bei der Kontrolle von für die menschliche Gesundheit wichtigen Wirkstoffen.
  • Die für diesen Zweck verwendeten Arten von Mitteln können die Zielspezies ausnutzen, möglicherweise Parasiten der Zielschädlinge, pathogen sein oder Krankheiten in der Zielspezies verursachen oder möglicherweise konkurrierende Spezies. zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt werden, sind häufige Krankheitserreger, die Krankheiten der Zielart verursachen. Obwohl sie nur einen kleinen Teil des gesamten Pestizideinsatzes darstellen, werden Viren zur Bekämpfung mehrerer Insektenarten und auch bei Kaninchen eingesetzt.
  • Biologische Wirkstoffe können langanhaltende Wirkungen haben und sich in einigen Fällen in der Zielpopulation ausbreiten. Sie wurden auch von der US-Umweltschutzbehörde als von Natur aus weniger toxisch als herkömmliche Pestizide anerkannt. Vereinigte Staaten von Amerika
  • Zu den Nachteilen zählen ein begrenzter Wirkungsbereich, langsame Wirkung im Vergleich zu chemischen Mitteln, hohe Erstbehandlungskosten, geringe Umweltbeständigkeit, insbesondere im Sonnenlicht.

Rollen von Viren in der Umwelt

San Diego State University, Fachbereich Biologie, San Diego, CA, USA.

Abteilung für Mikrobiologie, Institut Pasteur, 25, rue du Dr. Roux, 75724 Paris, Frankreich.

Fakultät für Biologie, Technion – Israel Institute of Technology, Technion City, Haifa 32000, Israel.

San Diego State University, Fachbereich Biologie, San Diego, CA, USA.

Abteilung für Mikrobiologie, Institut Pasteur, 25, rue du Dr. Roux, 75724 Paris, Frankreich.

Fakultät für Biologie, Technion – Israel Institute of Technology, Technion City, Haifa 32000, Israel.

Viren sind wichtige mikrobielle Prädatoren, die globale biogeochemische Kreisläufe beeinflussen und die mikrobielle Evolution vorantreiben, obwohl ihr Einfluss oft unterschätzt wird. Viren vermehren sich, nachdem sie ihr genetisches Material an eine Wirtszelle angelagert und übertragen haben. Die Zellmaschinerie des Wirts wird dann auf die Produktion weiterer Viren umgeleitet und führt in den allermeisten Fällen zum Tod der Wirtszelle. Viren haben faszinierende Mechanismen entwickelt, um Wirtsproteine ​​für ihre eigene Verteidigung und für die Verlagerung des Stoffwechsels von Wirt zu Virus zu nutzen, ein Thema, das in dieser Sonderausgabe von . für bakterielle Viren behandelt wird Umweltmikrobiologie ( Roucourt und Lavigne, 2009 ).

Weltweit gibt es schätzungsweise 1e31 virusähnliche Partikel. Derzeit wird angenommen, dass die meisten Viren Phagen sind, die Bakterien infizieren, aber archaeale und eukaryotische Viren sind sicherlich wichtige Bestandteile der meisten Ökosysteme. Da die durchschnittliche Halbwertszeit freier Viren in den meisten Ökosystemen 48 h beträgt, werden jede Minute schätzungsweise 1e27 Viren produziert. Dies bedeutet, dass alle 60 s etwa 1e25 Mikroben oder etwa 100 Millionen Tonnen durch Viren sterben. Virale Prädation, in Kombination mit der Beweidung durch Protisten, ist in der Lage, die mikrobielle Anzahl unter der Tragfähigkeit des Systems zu halten und spielt als solche eine wichtige Rolle bei der Kontrolle mikrobieller Gemeinschaften. In dieser Sonderausgabe berichten Sandaa und Kollegen (2009) über die gleichzeitige Kontrolle der mikrobiellen Diversität durch virale Prädation (Top-Down-Kontrolle) und Substratverfügbarkeit (Bottom-Up-Kontrolle).

Ein Großteil unseres Wissens über die Rolle von Viren in natürlichen Umgebungen stammt aus Studien mariner mikrobieller Gemeinschaften. In den Weltmeeren unterstützt etwa die Hälfte der durch Photosynthese produzierten organischen Substanz die Produktion neuer heterotropher Mikroben (beide Bakterien und Archaeen). Viren und Protisten töten diese dann zu etwa gleichen Anteilen (Fuhrman und Noble, 1995). Die lysierten Zellen werden zu gelöster organischer Substanz, die von anderen heterotrophen Bakterien verwendet werden kann. Dies bedeutet, dass die virale Sterblichkeit die Nettoatmung erhöht, die Freisetzung von CO2 und Nährstoffrecycling in den Weltmeeren. Viren und ihre mikrobiellen Beutetiere sind auch in marinen Sedimenten äußerst vielfältig, reichlich und aktiv ( Danovaro et al., 2002 Breitbart et al., 2004a). Darüber hinaus beeinträchtigen Viren die Primärproduktivität, indem sie Kieselalgen, Dinoflagellaten und Cyanobakterien abtöten sowie Nährstoffe freisetzen ( Suttle et al., 1990). Somit können Viren einen sehr bedeutenden Teil des Kohlenstoffkreislaufs des Ozeans ausmachen.

Viren scheinen allgegenwärtig zu sein und wurden aus jeder Umgebung gemeldet, in der Leben vorhanden ist, vom Süßwasser bis zum Sand der Sahara. Über die ökologische Rolle von Viren in den meisten Ökosystemen ist jedoch nur sehr wenig bekannt. In Böden, der potenziell größten Biosphäre der Erde, haben sich die meisten Virusstudien auf die Schätzung ihrer Häufigkeit und Taxonomie konzentriert. Viren werden mit der Rhizosphäre von Pflanzen in Verbindung gebracht ( Ackermann, 1997 ) und sind auch in einigen der rauesten Umgebungen der Welt verbreitet, angefangen bei heißen Quellen ( Rice et al., 2001 Rachel et al., 2002 Breitbart et al., 2004b Redder et al., 2009 ) zu hypersalinem Wasser (Nuttall und Dyall-Smith, 1993). In vielen dieser extremen Ökosysteme sind Viren die einzigen bekannten mikrobiellen Räuber.

Metagenomische Analysen natürlicher Gemeinschaften und von Menschen geschaffener Nischen haben gezeigt, dass Viren äußerst vielfältig und neu sind. Zum Beispiel kann 1 kg Meeressediment über eine Million verschiedene Virustypen enthalten und 200 l Meerwasser können etwa 5000 Virustypen enthalten ( Breitbart et al., 2002 2004a ). Und im menschlichen Darm können mindestens 1000 verschiedene Viren leben ( Breitbart et al., 2003). Die überwiegende Mehrheit (> 70%) des genetischen Materials, das von diesen Viren getragen wird, ist völlig uncharakterisiert und natürliche Virusgemeinschaften stellen wahrscheinlich den größten unerforschten Bereich des genetischen Informationsraums auf dem Planeten dar. Metagenomische Blutanalysen haben auch gezeigt, dass gesunde Menschen eine Reihe neuer, unbekannter Viren in sich tragen ( Breitbart und Rohwer, 2005 ), einschließlich Phagen gegen bekannte menschliche Krankheitserreger ( Gaidelytëet al., 2007). Die Auswirkungen dieser Viren auf die menschliche Gesundheit sind derzeit unbekannt, aber wir erwarten in den nächsten Jahren eine Explosion der Forschung auf diesem Gebiet.

Zusätzlich zu ihrem Einfluss auf biogeochemische Kreisläufe treiben Viren die mikrobielle Evolution durch natürliche Selektion auf infektionsresistente Mikroben und durch lateralen Gentransfer voran. Viele Viren sind stammspezifische Raubtiere. Wenn daher ein bestimmter mikrobieller Stamm in einem System dominiert, werden sich seine viralen Räuber exponentiell ausdehnen und ihn abtöten. Dies wird eine Nische für einen anderen mikrobiellen Stamm hinterlassen, in den er hineinwachsen kann, der anschließend von einem anderen Virustyp abgetötet wird. Dies bedeutet, dass die dominanten mikrobiellen Spezies innerhalb eines Systems ständig umgetauscht werden. Diese „Kill-the-Winner“-Hypothese kann einen Großteil der beobachteten mikrobiellen Diversität und Veränderungen in der Gemeinschaftsstruktur erklären (Thingstad, 2000).

Viren sind auch wichtige Austauscher genetischer Informationen zwischen Wirten, weil sie ihre Genome in die Wirtszellen injizieren. Zum Beispiel enthalten die meisten der vollständig sequenzierten mikrobiellen Genome provirale Sequenzen. Proviren sind Viren, die ihr Genom in das Genom des Wirts integriert haben und mit dem Wirt repliziert werden. Die meisten Proviren können zu einem späteren Zeitpunkt aktiv werden und schließlich ihren Wirt töten. Viele Proviren exprimieren auch Gene, die den Phänotyp der Wirtszelle dramatisch verändern können. Die meisten Umweltbelastungen von Vibrio choleraeB. sind keine humanpathogenen Erreger, bis sie mit einem Provirus infiziert werden, das das Cholera-Toxin trägt. Der Erwerb und Verlust von Proviren ist einer der häufigsten Mechanismen des lateralen Gentransfers.

Viren transportieren auch ökologisch wichtige Gene von Wirt zu Wirt. Zum Beispiel Viren, die die marinen Cyanobakterien infizieren Prochlorococcus und Synechokkus tragen oft ein Gen (psbA), das ein für die Photosynthese zentrales Protein kodiert ( Mann et al., 2003 Lindell et al., 2004). Diese Viren exprimieren dieses und andere Photosynthesegene während der Infektion und verwenden vermutlich photosynthetische Proteine, um diese Wirtszelle am Leben zu erhalten und während des Infektionszyklus Energie zu produzieren ( Lindell et al., 2005 Clokie et al., 2006). In einigen Fällen jedoch, wenn das Virus dieses zentrale Gen von einem mikrobiellen Stamm zu einem anderen verschiebt, kann ein Rekombinationsereignis Teile des viralen Gens in den Wirt einbringen ( Zeidner et al., 2005 Sullivan et al., 2006). Dieses Ereignis kann gleichzeitig das virale Genom inaktivieren, wodurch es dem Wirt ermöglicht wird, eine Infektion zu überleben, und den Genotyp des Wirts verändern. Ein weiteres faszinierendes Beispiel ist der horizontale Transfer der Ceramid-produzierenden Sphingolipid-Biosynthesegene von Coccolithophoren auf ihre Viren ( Wilson et al., 2005 Monier et al., 2009). Diese Gene, die an der Auslösung des programmierten Zelltods beteiligt sein können, werden während einer Infektion exprimiert ( Allen et al., 2006 ) sowie während einer Coccolithophorenblüte in einer natürlichen mikrobiellen Gemeinschaft im Mesokosmos ( Pagarete et al., 2009). Diese Beispiele, in denen Viren Wirtsgene erhalten haben und diese während der Infektion aktiv exprimieren, zeigen, dass Viren nicht nur Vektoren für den horizontalen Gentransfer sind, sondern dass der Gentransfer die Evolution sowohl mikrobieller Wirte als auch Viren beeinflusst.

Viren transportieren nicht nur Gene von einem Organismus in einen anderen, sie sind auch in der Lage, genetisches Material zwischen Ökosystemen zu transportieren. Es wurde festgestellt, dass einige Virussequenzen ubiquitär durch die Biosphäre verbreitet werden ( Breitbart et al., 2004c Kurz und Suttle, 2005). Es gibt auch Hinweise darauf, dass Viren aus einer Umgebung erfolgreich Mikroben aus nicht verwandten Umgebungen infizieren und sich auf diesen replizieren können (Wilhelm und Matteson, 2008). Diese Ergebnisse belegen, dass Viren sich weltweit bewegen und Gene zwischen Ökosystemen verschieben können. In ähnlicher Weise zeigte eine kürzlich durchgeführte Studie von RNA-Viren in menschlichen Stuhlproben, dass Pflanzenviren effizient den menschlichen Darm passieren und mit den Samen verbreitet werden ( Zhang et al., 2006). Auf diese Weise können Viren Tiere nutzen, um sich von Ort zu Ort zu bewegen.

Unser Wissen über Umweltviren hat in den letzten zehn Jahren stark zugenommen, aber wir müssen noch viel über die am besten untersuchten Umwelten lernen, wie die Berichte in dieser Sonderausgabe zeigen. Es werden immer noch neue Viren entdeckt und ihre Genome offenbaren weiterhin eine Vielzahl neuer Gene und neuer potenzieller Funktionen ( Redder et al., 2009 Sullivan et al., 2009). In jedem neuen untersuchten Habitat wird eine enorme Virusvielfalt entdeckt ( Rosario et al., 2009 ) und wir beginnen gerade erst, die zeitliche und räumliche Variabilität der Diversität natürlicher Viruspopulationen zu verstehen ( Chen et al., 2009 Kurz und Kurz, 2009 ). Es wird auch über saisonale und diel Veränderungen in der Virusproduktion berichtet ( Winget und Wommack, 2009 ) und es wurde gezeigt, dass die virusbedingte bakterielle Sterblichkeit den Kohlenstoffkreislauf im Südpolarmeer signifikant beeinflusst ( Evans et al., 2009 ).

Das Ausmaß der mikrobiellen Sterblichkeit hängt von ihrer Anfälligkeit für Virusinfektionen ab, dennoch sind viele Mikroben resistent gegen Infektionen. Unterschiedliche Resistenz- und Anfälligkeitsgrade sind wahrscheinlich einer der Faktoren, die die langfristige Koexistenz von Wirt und Virus in der Natur erleichtern. Über die Mechanismen und die Dynamik der Resistenz in Umwelt-Wirt-Virus-Systemen ist jedoch wenig bekannt. In dieser Sonderausgabe berichten Tomaru und Kollegen (2009) über ein Phänomen der reversiblen Resistenz eines Dinoflagellaten gegen ein RNA-Virus und vermuten, dass ein intrazellulärer Suppressionsmechanismus dafür verantwortlich ist.

Da die Kosten für die Sequenzierung sinken, werden mehr vergleichende Genomikstudien durchgeführt und zeigen auffallende Ähnlichkeiten zwischen Viren, die zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten auf demselben Wirt isoliert wurden ( Angly et al., 2009 Ceyssens et al., 2009 Redder et al., 2009 Weynberg et al., 2009 ), was darauf hinweist, dass wir, wenn die Umwelt angemessen beprobt wird, schließlich ein Verständnis für die in der Natur vorhandene virale Vielfalt erlangen werden. Offensichtlich sind virale Genome nicht statisch, und wie oben erwähnt, wird ihre Evolution durch den Transfer von Genen zwischen Wirten und Viren beeinflusst ( Sullivan et al., 2009 Weynberg et al., 2009 ), sowie durch Mutation und Rekombination zwischen Viren (Marston und Amrich, 2009 Redder et al., 2009 ).

Schließlich präsentieren Kropinski und Kollegen (2009) in dieser Sonderausgabe ein rationales Schema für die Benennung neu isolierter Bakterien- und Archaelviren, das wir berücksichtigen können, und Brüssow (2009) präsentiert eine faszinierende historische Perspektive auf die tierischen Ursprünge vieler menschlicher Viren .

In den letzten zehn Jahren haben neue und aufregende Erkenntnisse auf dem Gebiet der Umweltvirologie eine neuerliche Wiederbelebung der Erforschung bakterieller Viren angeführt. Darüber hinaus hat die Entdeckung deutlich unterschiedlicher Archael-Viren die Tür zu einem ganz neuen Bereich der Virusforschung geöffnet. Obwohl die bekannten Archaeenviren eine außergewöhnliche Vielfalt sowohl hinsichtlich Morphotyp als auch Genom aufweisen, könnte dies dennoch eine Unterschätzung sein: Sie sind derzeit der am wenigsten untersuchte Bestandteil der Biosphäre und wurden nur aus einer begrenzten Anzahl von Habitaten (fast ausschließlich) isoliert aus geothermischer und hypersaliner Umgebung).

Trotz des in letzter Zeit gestiegenen Interesses an Umweltviren bleibt unser Wissen spärlich. Wir kratzen noch immer nur an der Oberfläche der Entdeckung der globalen viralen Diversität, haben wenig Verständnis für die Funktionalität der meisten Gene im globalen viralen Genpool und die Rolle, die sie bei der Interaktion mit ihren Wirten spielen, und kämpfen immer noch mit dem Verständnis von viralen Auswirkungen auf ökologische und evolutionäre Prozesse. Das kommende Jahrzehnt verspricht an diesen Fronten viel.


Protein S-Palmitoylierung in der Immunität

S-Palmitoylierung ist eine reversible posttranslationale Lipidmodifikation von Proteinen. Es kontrolliert Proteinaktivität, Stabilität, Trafficking und Protein-Protein-Interaktionen. Jüngste globale Profilerstellung von Immunzellen und gezielte Analysen haben viele identifiziert S-palmitoylierte immunitätsassoziierte Proteine. Hier überprüfen wir S-palmitoylierte Immunrezeptoren und -effektoren und ihre dynamische Regulierung an Zellmembranen, um spezifische und ausgewogene Immunantworten zu erzeugen. Wir heben auch hervor, wie dieses Verständnis therapeutische Fortschritte zur pharmakologischen Modulation von Immunantworten vorantreiben kann.

1. Einleitung

S-Palmitoylierung ist eine posttranslationale Modifikation von Proteinen mit Lipiden. Dabei wird typischerweise eine Palmitinsäure mit 16 Kohlenstoffatomen über eine Thioesterbindung an Cysteine ​​eines Proteins angelagert (Abbildung 1), aber auch andere Fettsäuren wie Myristinsäure und Ölsäure können hinzugefügt werden [1]. S-Palmitoylierung und andere Lipidmodifikationen kontrollieren die Protein-Membran-Assoziation und den Transport und spielen dadurch eine entscheidende Rolle bei der Proteinfunktion und der Zellsignalübertragung [2]. S-Palmitoylierung ist unter den Lipidmodifikationen einzigartig, da die hochenergetische Thioesterbindung zwischen der Fettacylgruppe und dem Cysteinrest eine reversible Modifikation ermöglicht und daher eine räumlich-zeitliche Kontrolle der Proteinfunktion verleihen kann [3]. Diese dynamische Fettsäuremodifikation von H- und N-ras ermöglicht beispielsweise den Proteinkreislauf zwischen der Plasmamembran und dem Golgi-Apparat, wodurch die subzelluläre Kompartimentierung zur Diversifizierung der Signalübertragung erhalten bleibt (Abbildung 1) [4]. Neben dem Protein-Targeting auf verschiedene Kompartimente und Membran-Mikrodomänen ist die Rolle von S-Palmitoylierung ist auch an der Proteinstabilität, Konformation und homotypischen und heterotypischen Wechselwirkungen beteiligt (Abbildung 1). S-Palmitoylierung kann mehrere Effekte gleichzeitig ausüben, um die gewünschte Proteinfunktion zu orchestrieren. Darüber hinaus kann es zusammen mit anderen co- und posttranslationalen Modifikationen wirken, um Proteinfunktionen zu regulieren. Gemeldet S-palmitoylierte Proteine ​​umfassen Ionenkanäle, Rezeptoren, Transporter, Enzyme, Zelladhäsionsproteine, Effektoren der angeborenen Immunität und viele andere. Gesamt, S-Palmitoylierung ist an einer Vielzahl von physiologischen Prozessen beteiligt, einschließlich zellulärer Signalübertragung, Differenzierung, Transkriptionsregulation, Metabolismus und anderen [5–7].

Abbildung 1. Protein S-palmitoylierung und regulierung. Der Palmitoylierungs-Depalmitoylierungs-Zyklus reguliert unter anderem die Protein-Membran-Assoziation, das Lipid-Raft-Targeting, die Proteinstabilität und die Protein-Protein-Wechselwirkungen. Dynamisch S-Palmitoylierung wird durch DHHC-Palmitoylacyl-Transferasen (DHHC-PATs) und Depalmitoylasen vermittelt. Bild erstellt mit Biorender.com.

S-Palmitoylierung von Proteinen wird durch Palmitoylacyltransferasen (PATs) in intrazellulären Kompartimenten einschließlich des endoplasmatischen Retikulums, des Golgi-Apparats und der Plasmamembran vermittelt [8]. Beim Menschen sind PATs eine Familie von 23 Proteinen mit einer charakteristischen Asp-His-His-Cys (DHHC)-Domäne, die für die Katalyse wesentlich ist. PATs wurden zuerst in Hefe entdeckt und sind in allen Eukaryoten konserviert, obwohl ihre Anzahl und Spezifitäten sich zwischen den Arten unterscheiden können [9,10]. Die Regulation auf transkriptionaler, translationaler und posttranslationaler Ebene sowie variable PAT-Domänen bestimmen die Lokalisation, spezifische Substratprofile und die Funktionalität einzelner Enzyme [11]. Jüngste Strukturstudien von Mitgliedern der PAT-Familie haben wichtige Erkenntnisse über Reaktionsmechanismus, Substraterkennung, Interaktion, Bindung und Selektivität der Fettacylkette geliefert [12,13]. Genetische, zellbasierte und tierbasierte Studien haben PATs und PAT-Substrate mit vielen pathophysiologischen Zuständen, einschließlich Krebs und Schizophrenie, in Verbindung gebracht [14,15].

Die Entfernung von Palmitat aus Proteinen wird reguliert durch S-Depalmitoylasen, die die Hydrolyse von Thioestern katalysieren [16]. Acyl-Protein-Thioesterase 1 (APT1 auch bekannt als Lysophospholipase 1, LYPLA1) und Acyl-Protein-Thioesterase 2 (APT2 auch bekannt als Lysophospholipase 2, LYPLA2) waren die ersten identifizierten Depalmitoylasen für G-Proteine ​​[17]. Zusätzlich, α/β-Hydrolase-Domäne-enthaltendes Protein 17 (ABHD17) und andere Proteine ​​der Serinhydrolase-Superfamilie wurden als Depalmitoylasen für PSD-95 und das onkogene Protein N-Ras identifiziert [18,19]. Kürzlich wurde ABHD10 als Depalmitoylase für Peroxiredoxin (PRDX5), ein wichtiges antioxidatives Protein, identifiziert und es wurde gezeigt, dass es seine antioxidative Kapazität reguliert [20]. Diese Ergebnisse belegen die Rolle von Depalmitoylasen bei pathophysiologischen Zuständen, einschließlich Krebs, und machten sie zu wichtigen Zielen für die Entwicklung potenter Inhibitoren [21]. Palmitoyl-Protein-Thioesterase 1 (PPT1), ein endo-lysosomales Protein, ist das erste bekannte depalmitoylierende Enzym, das mit einer tödlichen genetischen lysosomalen Speicherstörung in Neuronen, neuronalen Ceroid-Lipofuszinosen (NCLs) in Verbindung gebracht wird [22]. Die Entwicklung von Inhibitoren und chemischen Sonden hat unser Verständnis der individuellen Depalmitoylase-Regulation und der Substratspezifität verbessert [23–25].

Die frühesten Methoden zum Nachweis der Proteinpalmitoylierung beinhalteten die metabolische Markierung von Proteinen mit radioaktiven 3 H, 14 C oder 125 I enthaltenden Palmitinsäuren. Diese hatten viele Einschränkungen, einschließlich geringer Empfindlichkeit. Entwicklung chemischer Ansätze zur Untersuchung von Proteinen S-Palmitoylierung haben das Verständnis des Feldes revolutioniert (Abbildung 2) [26–28]. Chemische Palmitinsäure-Reporter, einschließlich palmitinsäureähnlicher Moleküle, die Azido- oder Alkinylgruppen enthalten (z. B. alk-16/ODYA), können Cysteine ​​von Zielproteinen mithilfe einer endogenen Palmitoylierungsmaschinerie markieren (Abbildung 2 .).ein). Mithilfe bioorthogonaler Ligationsmethoden können sie mit Fluorophoren zur Visualisierung oder mit Biotin zur Anreicherung und Identifizierung palmitoylierter Proteine ​​umgesetzt werden [29]. Solche Reporter wurden außerdem in Pulse-Chase-ähnlichen Experimente eingebaut, um die Kinetik des Palmitoylierungsumsatzes an Proteinen zu überwachen [19,30,31]. Darüber hinaus ermöglichte der Einbau photovernetzender chemischer Einheiten in Palmitinsäure-Reporter die Identifizierung S-palmitoyliertes Protein-Interaktom (Abbildung 2B) [32]. Ein komplementärer chemischer Ansatz zur Untersuchung von S-Palmitoylierung beinhaltet die Modifikation von Thioester-verknüpften Cysteinen in S-palmitoylierte Proteine. Diese Strategie wird in Methoden wie dem Acyl-Biotin-Austausch (ABE) und der Acyl-Harz-assisted Capture (Acyl-Rac) genutzt (Abbildung 2C) [33,34]. Bei diesen Verfahren werden freie Cysteine ​​von palmitoylierten Proteinen mit einer Kappe versehen und anschließend werden Thioesterbindungen gespalten, um neue Thiole zu erzeugen. Diese Thiole werden dann selektiv durch Biotin für ABE oder Thiol-reaktives Harz für Acyl-Rac markiert, was eine weitere Anreicherung und Detektion von palmitoylierten Peptiden oder Proteinen ermöglicht. Eine Variante dieser Methode namens Acyl-PEG-Austausch (APE) nutzt die PEG-Markierung neu erzeugter Thiole als Massenmarkierung für auf Mobility-Shift basierende Assays, um Proteinspiegel zu identifizieren S-palmitoylierung [35]. Obwohl die oben genannten chemischen Ansätze jeweils individuelle Einschränkungen aufweisen, wurden sie erfolgreich für das globale Profiling palmitoylierter Proteine ​​in Hefe-, Protozoen- und Säugerzellen angewendet [36–39]. Darüber hinaus ist die Identifizierung von S-Palmitoylome halfen bei der Entwicklung von in silico prädiktive Programme für Palmitoylierungsstellen in Proteinen trotz fehlendem Konsensusmotiv [40]. Andere Methoden, die für die Analyse spezifischer palmitoylierter Proteine ​​entwickelt wurden, umfassen In-Cell-Imaging basierend auf bioorthogonaler Fettsäuremarkierung und vor Ort Proximity-Ligation oder Quantifizierung von S-Palmitoylierungsniveaus durch Gas-/Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie [41,42]. Darüber hinaus war die chemische Synthese oder Semisynthese modifizierter Peptide/Proteine ​​wichtig für das mechanistische Verständnis von S-palmitoylierte Proteine, wie dies durch die klassische Studie zu palmitoylierten Ras-Isoformen veranschaulicht wurde [4,27,28]. Jüngste Berichte über ortsspezifische chemische Modifikationen von Ras und dem Transmembranprotein IFITM3 mit Palmitat-Mimetika in lebenden Zellen und die Bewertung der Aktivität bieten neue Studienmöglichkeiten S-Palmitoylierung und andere Lipidmodifikationen in lebenden Zellen [43,44].

Abbildung 2. Chemische Methoden zur Untersuchung von S-palmitoylierung. (ein) Metabolische Markierung von Zellen mit Palmitinsäure-Reporter alk-16/ODYA und weitere Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC)-Reaktion mit Azido-modifizierten Fluoreszenz- oder Affinitäts-Tags zur Fluoreszenz-Visualisierung oder Affinitätsanreicherung von S-palmitoylierte Proteine. (B) Metabolische Markierung mit einem bifunktionellen chemischen Fettsäure-Reporter und Photocrosslinking in Zellen ermöglicht den Nachweis und die proteomische Identifizierung von S-palmitoyliertes Protein-Interaktom. (C) ABE- und Acyl-RAC-Methoden beinhalten das Capping freier Cysteine ​​mit Thiol-reaktiven Reagenzien wie n-Ethylmaleinimid (NEM) gefolgt von der Entfernung von S-palmitoylierung mit NH2OH. Neu exponierte Cysteine ​​werden dann mit einem Thiol-reaktiven Biotin bzw. Harz umgesetzt. Eine weitere Anreicherung ermöglicht die Identifizierung von S-palmitoylierte Proteine. Bild erstellt mit Biorender.com.

Wir haben zuvor die Anwendung dieser chemischen Werkzeuge für das globale Profiling von palmitoylierten Proteinen in Immunzellen untersucht, einschließlich T-Zellen, dendritischen Zellen, Makrophagen und B-Zellen [45]. Seit der Veröffentlichung dieses Übersichtsartikels wurden bemerkenswerte Fortschritte bei der Identifizierung neuer palmitoylierter Immunitätsproteine ​​sowie eine erneute Betonung der funktionellen Charakterisierung von Individuen erzielt S-palmitoylierte Immunproteine. In diesem Aufsatz werden wir mechanistische Studien zu den Rollen von hervorheben S-Palmitoylierung bei der Regulierung der Immunproteinfunktion in Immunzellen (Tabelle 1). Diese Übersicht ist nach Proteinen organisiert, die an adaptiven und angeborenen Immunwegen beteiligt sind (d. h. Immunsensoren, Signalwandler, Signalregulatoren und Immuneffektoren). Es gibt ausgezeichnete Rezensionen, die die Rolle von Protein beschreiben S-Palmitoylierung in anderen physiologischen Prozessen [79].

Tabelle 1. S-palmitoylierte immunitätsassoziierte Proteine.

2. S-Palmitoylierung von Proteinen in der adaptiven Immunität

S-Palmitoylierung spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung der adaptiven Immunantwort des Wirts. Mehrere Studien untersuchten die S-Palmitoylom von T-Zellen mit verschiedenen Methoden und identifizierte wichtige Faktoren, die an der T-Zell-Aktivierung und Signalübertragung beteiligt sind (Abbildung 3) [31,37,80–82]. Der erste Schritt bei der Signaltransduktion des T-Zell-Rezeptors (TCR) beinhaltet die Bindung von TCR an Peptid-Major-Histocompatibility-Komplexe (MHCs) auf Antigen-präsentierenden Zellen (APCs). Auf diesen Bindungsschritt folgt die Rekrutierung der Proteintyrosinkinase Lck der Src-Familie an die zytoplasmatischen Domänen der CD4- und CD8-Corezeptoren. Dies löst eine Signalkaskade aus, die zur Bildung des LAT-Signalosoms führt. Die weitere Signalausbreitung erfolgt über Ca 2+ -Calcineurin, Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK) und Nuclear Factor-κB (NF-κB) Signalwege.

Figur 3. S-Palmitoylierte Proteine ​​in der T-Zell-Signalgebung. S-palmitoylierte Src-Kinasen (Lck) phosphorylieren den TCR-Komplex, was zur Rekrutierung und Aktivierung von ZAP-70 führt. Aktiviertes ZAP-70 phosphoryliert palmitoyliertes LAT und führt zu nachgeschalteten Signalwegen. Bild angepasst von „TCR Downstream Signalling“ von BioRender.com.

2.1. TCR-Korezeptoren

S-Palmitoylierung von TCR-Untereinheiten wurde nicht berichtet, aber Radiomarkierungsstudien identifizierten eine TCR-Corezeptor-CD4-Palmitoylierung. CD4 wird an Cys394 und Cys397 palmitoyliert, an der Verbindung der Transmembran- und zytoplasmatischen Domäne [46]. CD4 S-Palmitoylierung reguliert die Clusterbildung mit TCR/Proteinkinase C (PKC) θ in Lipid-Rafts [47]. Corezeptor CD8 ist ein Heterodimer von CD8α und CD8β. Beim Menschen sind sowohl CD8α und CD8β sind S-palmitoyliert, während bei Mäusen nur CD8β ist S-palmitoyliert. Maus CD8β S-Palmitoylierung ist für eine effiziente CD8-Korezeptorfunktion notwendig, da sie die CD8-Assoziation mit Lck in Lipid-Rafts erhöht [48].

2.2. Kinasen der Src-Familie

Die Kinase Lck der Src-Familie ist S-palmitoyliert an Cys3 und Cys5 und dies fördert seine Plasmamembranassoziation [49,83]. Interessanterweise ist die Lck-N-Myristoylierung an Gly2 für die nachfolgende Palmitoylierung erforderlich. Löschung von Lck S-Palmitoylierung reduziert die Lck-CD4-Assoziation und die Downstream-Signalgebung [84]. Weitere Studien zeigen, dass ortsspezifische S-Palmitoylierung an Cys3 ist wichtig für die Lck-Lipid-Raft-Lokalisierung [50].

S-Palmitoylierung von Fyn, einer weiteren Kinase der Src-Familie, die an der T-Zell-Signaltransduktion beteiligt ist, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei ihrer Membranassoziation [51]. Fünen kann sein S-palmitoyliert an Cys3 und Cys6, aber Cys3 ist die Hauptstelle und die wichtigste für die Lipid-Raft-Assoziation. Die Aktivierung von Fyn durch Lck in Lipid-Rafts führt zur TCR/CD3-Aktivierung und nachgelagerten Signalgebung. Es wurde gezeigt, dass DHHC2, 3, 7, 10, 15, 20, 21 Fyn . vermitteln S-palmitoylierung.

2.3. Fallen

Die Aktivierung von Transmembranadapterproteinen (TRAPs) ist ein entscheidender Schritt im T-Zell-Signaltransduktionsweg. TRAPs wie LAT, mit GEMs assoziiertes Phosphoprotein (PAG) und Lck-interacting Membranprotein (LIME) sind S-palmitoyliert und zeigen eine Lipid-Raft-Assoziation [85]. Die LAT-Aktivierung führt zur Rekrutierung von Schlüsselmolekülen für die nachgeschaltete Signalausbreitung. LAT ist dual S-palmitoyliert an einem membranständigen Cys-X-X-Cys-Motiv. S-Palmitoylierung von LAT ist wichtig für seine Stabilität und Plasmamembranassoziation [52,53]. Löschung von LAT S-Palmitoylierung behindert die TCR-Interaktion und die Rekrutierung von PLCγ und Grb2 für die Downstream-Signalausbreitung, wie aus einem beeinträchtigten Calciumeinstrom und einer Erk-Aktivierung ersichtlich ist [86].

Jenseits der T-Zell-Aktivierung, LAT S-Palmitoylierung reguliert auch die T-Zell-Anergie, eine Unfähigkeit zuvor ansprechender T-Zellen, auf die TCR-Stimulation zu reagieren. Anerge T-Zellen zeigen eine reduzierte LAT-Palmitoylierung, Lipid-Raft-Assoziation und immunologische Synapsenrekrutierung [87]. Dies sollte für therapeutische Interventionen zur Hemmung oder Induktion der T-Zell-Anergie bei Krebs, Transplantation und Infektionskrankheiten weiter untersucht werden.

2.4. Fas und FasL

Die Apoptose von T-Zellen, die Selbstantigene erkennen, ist notwendig, um Autoimmunerkrankungen zu verhindern. Fas und Fas-Ligand (FasL) sind kritische Regulatoren der T-Zell-Apoptose. Die Bindung von Fas an FasL führt zur Rekrutierung des Todes-induzierenden Signalkomplexes (DISC) in Fas-tragenden Zellen, der die Caspase-3-vermittelte Apoptose aktiviert. Fas ist S-palmitoyliert an einzelnem Cys199 beim Menschen und wird für seine Stabilität benötigt [54]. DHHC7 wird als Palmitoylat von Fas identifiziert. Mutation des Fas S-palmitoylierungsstelle reduziert seine Lipid-Raft-Assoziation und beeinträchtigt die Apoptose-Signalgebung.

Ein ABE-basierter Assay identifizierte FasL S-Palmitoylierung [55]. FasL ist an Cys82 palmitoyliert, das sich am N-terminalen Ende der Transmembrandomäne befindet. Die S-Palmitoylierung moduliert die Aufteilung des FasL-Lipid-Rafts und die proteolytische Spaltung durch ADAM10 für eine effiziente Induktion des Fas-vermittelten Zelltods.

2.5. PD-1 und PD-L1

Programmed Death Protein 1 (PD-1) ist ein T-Zell-Oberflächenrezeptor, der bei Aktivierung die T-Zell-Proliferation und Zytokin-Produktion unterdrückt. Die PD-1-Liganden PD-L1 und PD-L2 werden auf Antigen-präsentierenden Zellen und Tumorzellen exprimiert. In silico motivbasierte Vorhersage identifiziert PD-1 S-palmitoylierung an Cys192 zwischen seiner transmembranen und zytosolischen Domäne, was durch metabolische Markierungsstudien bestätigt wurde [56]. PD-1 S-Palmitoylierung wird durch DHHC9 katalysiert. Die PD-1-Palmitoylierung ist für ihre Stabilität notwendig. Neuere Studien zeigen, dass einige Krebszellen auch PD-1 exprimieren, wodurch sie das Tumorwachstum unabhängig von der adaptiven Immunität fördern können. S-Palmitoylierung von PD-1 in Tumorzellen kann die Signalübertragung und Proliferation von Rapamycin (mTOR) nachgelagerten Säugetieren modulieren.

Auf Tumorzellen exprimiertes PD-L1 ist auch S-palmitoyliert und diese Modifikation hemmt die Ubiquitinierung und den Transport von PD-L1 zu Lysosomen zum Abbau [59]. DHHC3 katalysiert die PD-L1-Palmitoylierung. Die Hemmung der PD-L1-Palmitoylierung durch 2-Brompalmitat oder durch DHHC3-Silencing erhöht die Anti-Tumor-Aktivität in Zellen und in Mäusen. Diese Entdeckungen der PD-1- und PD-L1-Palmitoylierung und das Targeting zur Modulation der T-Zell-Immunantwort bei Krebs bieten spannende Möglichkeiten für kombinatorische Ansätze zusammen mit der Immun-Checkpoint-Therapie.

2.6. B-Zellen

S-Palmitoylierung kritischer Proteine ​​in B-Zellen wurde ebenfalls identifiziert. Tatsächlich identifizierte ein ABE-basiertes Profiling von B-Zellen viele Kandidaten S-palmitoylierte Proteine ​​[80]. Es gibt jedoch nur begrenzte Studien zu funktionellen Auswirkungen des B-Zell-Proteins S-palmitoylierung.

B-Zell-Rezeptor (BCR)-Korezeptor CD81 ist S-palmitoyliert an mehreren membranständigen Cys-Resten [57]. S-Palmitoylierung von CD81 ist für eine verstärkte Assoziation von BCR-Corezeptorkomplex-Lipid-Rafts erforderlich [88]. Es ist auch wichtig für die CD81-Assoziation mit anderen BCR-Korezeptoren CD19 und CD21 [57]. Hemmung von CD81 S-Palmitoylierung beeinflusst die Rekrutierung von nachgeschalteten Signalmolekülen und die Aktivierung der Kinasen PI3 K und PKC.

Das humane Keimzentrum-assoziierte Lymphom (HGAL) ist ein Adapterprotein, das an der BCR-Signalübertragung beteiligt ist. Studien zur Radiomarkierung identifizierten HGAL S-Palmitoylierung [58]. S-Palmitoylierung von HGAL reguliert die Bindung und Aktivierung der Syk-Kinase für die nachgeschaltete Signalübertragung. HGAL S-Palmitoylierungs-Deletionsmutante lokalisiert im Zytoplasma und beeinträchtigt die durch Chemoattraktanten induzierte Zellmotilität signifikant.

3. Palmitoylierung von Proteinen in der angeborenen Immunität

3.1. Angeborene Immunrezeptoren und Signaladapterproteine

Das angeborene Immunsystem reagiert auf eine mikrobielle Invasion mit Signalen durch Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), die konservierte mikrobielle Merkmale oder Moleküle binden, die mit Zellschäden verbunden sind. PRRs können grob in mehrere Familien verwandter Moleküle eingeteilt werden. Diese Familien umfassen die Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLRs), C-Typ-Lectin-Rezeptoren, RIG-I-ähnliche Rezeptoren und NOD-ähnliche Rezeptoren. Darüber hinaus ist ein Rezeptor, der als zyklische GMP-AMP (cGAMP)-Synthase (cGAS) bekannt ist, am mikrobiellen DNA-Nachweis beteiligt. Mehrere dieser Moleküle und/oder ihre Signaladapterproteine ​​haben sich als S-palmitoyliert in den letzten Jahren (Abbildung 4). Wie wir weiter unten beschreiben werden, S-Palmitoylierung, wo sie nachgewiesen wurde, ist im Allgemeinen eine aktivierende Modifikation für die Signalübertragung des angeborenen Immunsystems über mehrere dieser mikrobiellen Wahrnehmungswege.

Figur 4. S-palmitoylierte angeborene Immunrezeptoren und Signaladapterproteine. (ein) Aktivierung von S-palmitoyliertes TLR2 durch pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) führt zur MyD88-Signalgebung. S-palmitoyliertes MyD88 bildet einen Komplex mit der IL-1-Rezeptor-assoziierten Kinase (IRAKs) für die nachgeschaltete Signalübertragung und die anschließende Translokation von nuklearem Faktor-κB (NF-κB) in den Zellkern zur Zytokin-Induktion. (B) STING bindet an zyklische Dinukleotide am endoplasmatischen Retikulum und transloziert zum Golgi-Apparat, wo es palmitoyliert wird. Im Trans-Golgi-Netzwerk, S-palmitoyliertes STING wird geclustert und rekrutiert TBK1 und IRF3 für die Downstream-Signalgebung. (c) DHHC5-vermittelt S-Palmitoylierung von NOD1/2 führt zu seiner Rekrutierung zu bakterienhaltigen Phagosomen. Eine weitere Exposition gegenüber von Bakterien abgeleiteten Molekülen induziert die NF-κB-Signalgebung. Bild erstellt mit Biorender.com.

3.1.1. TLRs

Toll-like-Rezeptoren (TLRs) gehörten zu den ersten entdeckten mikrobiellen PRRs. TLRs sind Transmembranproteine, die leucinreiche Wiederholungsdomänen verwenden, um verschiedene mikrobielle Produkte wie Proteine, Nukleinsäuren und Glykane nachzuweisen. Das menschliche Genom kodiert für 10 bekannte TLRs, die entweder auf der Zelloberfläche oder in Endosomen lokalisiert sind. Die Bindung eines TLR an seinen Liganden führt zu einer Signalübertragung durch TLR-assoziierte zytoplasmatische Adapterproteine, einschließlich MyD88. Die TLR-Signalgebung gipfelt im Allgemeinen in der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB und der Produktion von inflammatorischen Zytokinen. S-Palmitoylom-Profiling von murinen dendritischen Zellen unter Verwendung eines Alkinylpalmitat-Analogons mit Klick-Chemie-basierten Biotin-Pulldowns identifizierte TLR2 als mutmaßliches palmitoyliertes Protein [60]. S-Palmitoylierung wurde bestätigt und Cys609 durch Mutagenese von Kandidaten-Cysteinen zugeordnet. C609 befindet sich direkt neben der dem Zytoplasma zugewandten Seite der TLR2-Transmembrandomäne. Cys609-Mutantenkonstrukte zeigten in NF-κB-Reporterassays eine geringere Reaktionsfähigkeit als WT-TLR2 auf bekannte mikrobielle TLR2-Liganden. Darüber hinaus reduzierte die 2-BP-Hemmung der TLR2-Palmitoylierung in dendritischen Zellen der Maus teilweise die TLR2-Spiegel an der Zelloberfläche und reduzierte die Zytokinproduktion als Reaktion auf TLR2-Liganden signifikant. Zusammen weisen diese Daten darauf hin, dass die TLR2-Palmitoylierung an Cys609 für seine korrekte Lokalisierung und volle antimikrobielle Aktivität erforderlich ist (Abbildung 4ein) [60].

S-Palmitoylierungsspiegel auf TLR2 wurden durch Überexpression mehrerer DHHC-Proteine ​​erhöht, was auf eine mögliche enzymatische Redundanz für diese aktivierende Modifikation hindeutet [60]. Cys609 ist unter den TLR2-Proteinen während der gesamten Evolution hoch konserviert, was eine bedeutende Rolle dieser Modifikation in der antimikrobiellen Funktionalität weiter unterstützt. Mehrere zusätzliche humane TLRs besitzen Cysteinreste nahe der zytoplasmatischen Grenze ihrer Transmembrandomänen, einschließlich der TLRs 1, 5, 6, 7, 8, 9 und 10. Von den humanen TLRs zeigten jedoch nur die TLRs 2, 5 und 10 eine robuste Markierung mit Alkinylpalmitat-Analogon, wobei TLR10 das stärkste Palmitoylierungssignal im Verhältnis zum Gesamtproteinspiegel liefert [60]. Ob S-Palmitoylierung die Aktivität der TLRs 5 und 10 reguliert oder ob andere TLRs unter bestimmten zellulären Bedingungen palmitoyliert werden, muss noch geklärt werden.

3.1.2. Myd88

MyD88 ist ein wichtiges Signaladapterprotein für alle TLRs außer TLR3. Die Entdeckung von MyD88 S-Palmitoylierung folgte der Beobachtung, dass die Hemmung der Fettsäuresynthase durch den chemischen Inhibitor C75 die Entzündungsreaktionen bei TLR2-, 4 oder 7/8-Stimulation von Zellen reduzierte [61]. Diese Hemmung der TLR-Signalgebung durch C75 wurde MyD88 durch Studien nachgewiesen, die die NF-κB-Aktivierung bei Überexpression verschiedener Signalmoleküle stromabwärts von TLRs untersuchten. Da das Produkt der Fettsäuresynthase Palmitat ist, S-Palmitoylierung von MyD88 wurde mit chemischer Reportermarkierung und ABE-Methoden untersucht und bestätigt [61].

Kandidat S-palmitoylierte Cysteine, Cys113 und Cys274, wurden auf MyD88 durch Massenspektrometrie identifiziert und weiter als Stellen der Modifikation durch Cystein-zu-Alanin-Mutagenese von MyD88-Konstrukten und ABE-Analyse bestätigt [61]. Interessanterweise verringerten zwar einzelne Mutationen von Cys113 oder Cys274 die Gesamt-MyD88 . signifikant S-palmitoylierung, eine Doppelmutante zeigte keine weitere Abnahme der Palmitoylierung. In Bezug auf die NF-κB- und MAPK-Aktivierung verringerte die Mutation von Cys113 das Ansprechen auf den TLR4-Liganden LPS, während die Mutation von Cys274 keine messbare Wirkung hatte. Eine Cys113-zu-Ala-MyD88-Mutante konnte das IRAK4-Signalmolekül nach TLR-Stimulation nicht rekrutieren, was darauf hindeutet, dass S-Palmitoylierung ist für die Rekrutierung von IRAK4 an den Myddosom-Signalisierungskomplex stromabwärts der TLR-Ligandenbindung erforderlich (Abbildung 4ein). Es wird interessant sein festzustellen, ob MyD88 S-Palmitoylierung fördert die Lokalisation mit TLRs, wie TLR2, die ebenfalls palmitoyliert sind [60]. Es ist auch zu beachten, dass MyD88 S-Palmitoylierung wurde in keiner der veröffentlichten nachgewiesen S-Palmitoyl-Proteom-Studien [40], einschließlich solcher, die in Makrophagen und dendritischen Zellen durchgeführt wurden, was darauf hindeuten könnte, dass robustes MyD88 S-Palmitoylierung muss induziert werden oder dass palmitoyliertes MyD88 in schwerlöslichen Proteinaggregaten vorliegt.

DHHC6 wurde aufgrund seiner Fähigkeit, MyD88 . zu erhöhen, als führender Palmitoyltransferase-Kandidat für MyD88 identifiziert S-Palmitoylierung bei Überexpression und basierend auf seiner hohen Expression in myeloischen Zelltypen, von denen bekannt ist, dass sie potente TLR-Aktivitäten aufweisen [61]. Daher verringerte der Knockdown von DHHC6 MyD88 S-Palmitoylierung und LPS-Reaktionsfähigkeit von Makrophagen. Gesamt, S-Palmitoylierung von MyD88 scheint eine erforderliche regulatorische Modifikation zu sein, die darauf abzielen kann, TLR-vermittelte Entzündungen zu verringern, entweder durch direkte Hemmung der enzymatischen Palmitoylierung von MyD88 oder durch Begrenzung des endogenen Palmitats, das für die Proteinmodifikation verfügbar ist [61].

3.1.3. STACHEL

Der Stimulator der Interferon-Gene (STING) ist ein Signalprotein, das an der Reaktion auf DNA im Zytosol beteiligt ist. STING ist ein Multipass-Transmembranprotein, das durch das zyklische Dinukleotid cGAMP aktiviert wird, das von cGAS beim Erfassen von DNA im Zytosol produziert wird. Ligand-aktivierter STING bewegt sich vom ER zum Golgi-Apparat und rekrutiert Signalmoleküle, um NF-κB und den Interferon-Regulatorfaktor 3 (IRF3) zu aktivieren, was zur Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und Typ-I-Interferonen (IFNs) führt. Mukai et al. [62], stellten die Hypothese auf, dass STING am Golgi posttranslational modifiziert wird und entdeckten, dass STING mit radioaktiv markierter Palmitinsäure nach zellulärer Aktivierung mit dem chemischen STING-Agonisten DMXAA modifiziert werden könnte. Darüber hinaus erhöhte die Überexpression der Golgi-lokalisierten DHHCs 3, 7 und 15 STING S-palmitoylierung. Umgekehrt eliminierte die 2-BP-Behandlung von Zellen die STING-Palmitoylierung und verhinderte die Zytokinproduktion bei DMXAA-Stimulation, was darauf hindeutet, dass die Palmitoylierung für die inflammatorische Zytokin-Induktion durch STING notwendig ist. Die primären Modifikationsstellen auf STING wurden auf Cys88 und Cys91 kartiert. Ein mutiertes STING-Konstrukt mit Serin-Substitutionen an diesen Positionen, das ähnlich wie WT STING nach DMXAA-Stimulation vom ER zum Golgi transportiert wurde, konnte jedoch keine Aktivierung von NF-κB und IRF3 induzieren und konnte daher keine proinflammatorischen Downstream-Genprodukte, einschließlich Typ I ., induzieren Interferone. Diese Ergebnisse zeigen, dass S-Palmitoylierung von STING an bestimmten Cysteinen ist für seine entzündliche Signalfunktion erforderlich (Abbildung 4B) [62].

Aktivierende STING-Mutationen in der menschlichen Bevölkerung wurden mit einer entzündlichen Autoimmun-Interferonopathie in Verbindung gebracht, die als STING-assoziierte Vaskulopathie mit Beginn im Säuglingsalter (SAVI) bekannt ist. Bekannte mit SAVI assoziierte STING-Mutanten verloren ihre Fähigkeit, die IRF3- und NF-κB-abhängigen Genpromotoren spontan zu aktivieren, wenn sie mit . kombiniert wurden S-palmitoylierung beeinträchtigende Mutationen an Cys88 und 91 oder wenn die Palmitoylierung durch 2-BP-Behandlung von Zellen gehemmt wurde [62]. Diese Ergebnisse legten nahe, dass die Palmitoylierung von STING möglicherweise therapeutisch bei SAVI angesteuert werden könnte. Tatsächlich wurden bei einem Versuch, STING-Inhibitoren durch chemisches Screening zu identifizieren, niedermolekulare Inhibitoren entdeckt, die kovalent mit Cys91 reagieren und die Palmitoylierung blockieren [89]. Diese Inhibitoren verhinderten die Anhäufung von STING am Golgi und verhinderten eine STING-abhängige Entzündung in Mausmodellen. Gleichzeitig identifizierte eine zweite Gruppe endogen gebildete Nitrofettsäuren als Inhibitoren der STING-Palmitoylierung über eine kovalente Reaktion mit Cys88 [6]. Nitrofettsäuren wurden während der DNA-Virusinfektion produziert, was darauf hindeutet, dass dies ein natürlicher zellulärer Rückkopplungsmechanismus sein könnte, um eine Hyperaktivierung des cGAS-STING-Signalwegs zu verhindern. Darüber hinaus verhinderte die Zugabe von Nitrofettsäuren zu Fibroblasten, die von SAVI-Patienten stammten, die konstitutive Typ-I-IFN-Produktion durch diese Zellen [90]. Diese aufregenden Entwicklungen bei niedermolekularen Inhibitoren von STING liefern überzeugende Machbarkeitsstudien für das therapeutische Targeting der STING-Palmitoylierung [91].

3.1.4. NOD1/2

Die Proteine ​​der Nucleotid-Oligomerisationsdomäne (NOD) 1 und 2 sind zytosolische Rezeptoren des angeborenen Immunsystems, die bakterielle Peptidoglycane erkennen. NOD1 und NOD2 sind hauptsächlich im Zytosol löslich, wobei ein Teil dieser Proteine ​​im Steady State mit der zellulären Plasmamembran assoziiert ist. Sie werden jedoch bei einer intrazellulären bakteriellen Infektion schnell auf phagosomale Membranen umverteilt, wo sie NF-κB- und MAPK-Signalwege aktivieren. Da NOD1/2 Transmembranregionen oder traditionelle Lipidbindungsmotive fehlen, wurde die Hypothese aufgestellt, dass ihre schnelle Membranassoziation durch dynamisches . vermittelt werden könnte S-Palmitoylierung [63]. Tatsächlich veränderte die Behandlung von Zellen mit dem Palmitoylierungsinhibitor 2-BP die Lokalisation von NOD1 und NOD2, wie durch Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht wurde, ein Phänomen, das durch biochemische Fraktionierungstechniken als auf den Verlust der Membranassoziation zurückzuführen ist. Die 2-BP-Behandlung von Makrophagen hob die Fähigkeit der Zellen auf, auf NOD1/2-Liganden hinsichtlich der Aktivierung des NF-&kgr;B- und MAPK-Wegs zu reagieren. S-Palmitoylierung von NOD1 und NOD2 wurden beide anschließend durch ABE- und chemische Reportermarkierungsverfahren bestätigt. S-palmitoylierung von NOD1 wurde auf drei Cysteinreste, Cys558, 567 und 952, kartiert. Eine dreifache Cysteinmutante von NOD1 verlor ihre Membranassoziation und Fähigkeit, NF-κB zu aktivieren, ein Effekt, der durch Fusion eines bekannten S-Palmitoylierungs-Aminosäuremotiv zu NOD1. Ähnliche Effekte wurden für NOD2 beobachtet, allerdings in diesem Fall S-palmitoylierung wurde auf Cys395 und 1033 kartiert (Abbildung 4C). Ein BioID-Screening auf NOD1- und NOD2-wechselwirkende Proteine ​​identifizierte DHHC5 als wahrscheinlichen Kandidaten für die Modifikation dieser Immuneffektoren [63]. Knockdown oder Knockout von DHHC5 führte zu einer Verringerung S-Palmitoylierung von NOD1 und NOD2, verminderte NOD-Membranassoziation und verminderte Aktivierung von NF-κB- und MAPK-Wegen als Reaktion auf NOD-Liganden. Weiterhin sind sowohl DHHC5 als auch intaktes NOD S-Palmitoylierungsstellen waren für die Rekrutierung von NOD1/2 an . erforderlich Salmonellen-haltige Phagosomen [63].

NOD2-Varianten mit verminderter Peptidoglycan-Reaktionsfähigkeit wurden mit Pathologien wie Morbus Crohn in Verbindung gebracht. Fünf von sechs getesteten Krankheitsvarianten zeigten eine deutliche Abnahme der S-Palmitoylierung, was darauf hindeutet, dass eine defekte palmitoylierungsabhängige Membranassoziation ihrer verminderten Funktionalität zugrunde liegt [63]. Umgekehrt zeigte eine NOD2-Variante mit Gain-of-Function einen signifikant erhöhten Ausgangswert S-Palmitoylierung, und 2-BP-Behandlung beseitigte seine Hyperaktivierung von NF-&kgr;B. Insgesamt hat sich herausgestellt, dass S-Palmitoylierung ist für die NOD1/2-Lokalisierung mit bakterienhaltigen Membranen und die Aktivierung nachgelagerter Stoffwechselwege erforderlich. Es muss jedoch noch genau bestimmt werden, wie bakterielle Sensing einen schnellen Anstieg von NOD1/2 . auslöst S-Palmitoylierung und wie dies die Entzündungssignalisierung erleichtert. Jüngste Vernetzungsstudien mit dem Peptidoglycan-Fragment Muramyl-Dipeptid (MDP) Photoaffinity Reporter zeigten eine MDP-induzierte NOD2-Wechselwirkung mit der Plasmamembran oder dem im Endosom residenten N-myristoylierten GTP-ARF6 [92]. Es wird daher interessant sein, die Rolle der NOD2-Palmitoylierung bei der Vermittlung von Interaktionen mit membrangebundenen Wirtsproteinen zu verstehen.

3.1.5. Phagozytose-Rezeptor

Die Phagozytose zum Verschlingen von Krankheitserregern oder Fremdpartikeln durch Immunzellen beinhaltet auch eine anfängliche Oberflächenrezeptor-vermittelte Erkennung. Phagozytose-Rezeptor FCGR2A ist S-palmitoyliert und reguliert seine Lipid-Raft-Assoziation [64]. Außerdem, S-Palmitoylierung der FCGR2A-assoziierten Kinase ASAP2 kann die FCGR2A-vermittelte Phagozytose regulieren [65].

Die S-Palmitoylierung des Scavenger-Rezeptors CD36 wurde ebenfalls gut untersucht. CD36 ist ein Transmembran-Glykoprotein-Rezeptor, der auf Immunzellen exprimiert wird, einschließlich Monozyten, Makrophagen und anderen Zelltypen, wie Adipozyten und Herzmyozyten. CD36 bindet an oxidierte Phospholipide, oxidierte Lipoproteine ​​und langkettige Fettsäuren und vermittelt deren Aufnahme und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Lipidhomöostase in Zellen. Darüber hinaus spielt CD36 eine wichtige Rolle als angeborener Immunsensor, der bakterielle Zellwandbestandteile, infizierte Erythrozyten, erkennen und daran binden kann Plasmodium falciparum und apoptotische Zellen. SEs wurde gezeigt, dass die Palmitoylierung von CD36 durch DHHC4 und DHHC5 eine regulatorische Rolle bei der Fettsäureaufnahme des Fettgewebes bei Mäusen spielt [66]. Bindung von S-palmitoyliertes CD36 zu Fettsäuren aktiviert die Kinase Lyn. Aktiviertes Lyn phosphoryliert DHHC5 und hemmt dessen S- Palmitoylierungsaktivität. Die Depalmitoylierung von fettsäuregebundenem CD36 durch APT1 führt zu einem nachgeschalteten Signalweg, um die Endozytose von Fettsäuren zu initiieren. Pharmakologische oder genetische Störungen dieses dynamischen Palmitoylierungs-Depalmitoylierungs-Zyklus stören die Fettsäureaufnahme der Zellen [67]. Weitere Untersuchungen von CD36 S-Palmitoylierung in nachgeschalteten Immunsignalen wird hilfreich sein, um Zusammenhänge zwischen Fettstoffwechsel und Entzündungen zu verstehen.

Darüber hinaus sind viele Mitglieder der Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) einschließlich β1-adrenerge Rezeptoren, S1P-Rezeptor Subtyp 1 (S1PR1), CCR5 sind bekannt als S-palmitoyliert [68–70]. CCR5 und andere S-palmitoylierte Zelloberflächenrezeptoren wie EGFR werden auch von Viren wie dem humanen Immunschwächevirus (HIV) bzw. dem Influenza-A-Virus (IAV) verwendet, um erfolgreich in die Wirtszelle einzudringen. Außerdem ist zu beachten, dass S-Palmitoylierung spielt nicht nur eine Rolle im Immunsystem des Wirts, sondern auch im Wirt S-Palmitoylierungsmaschinerie wird auch von vielen viralen oder bakteriellen Proteinen für Wirtsinfektionen genutzt [93,94]. Zum Beispiel, S-Palmitoylierung des derzeit pandemischen SARS-CoV-2-Spike-Proteins durch DHHC5 ist wichtig für den Viruseintritt in ACE2-exprimierende Zellen [95].

3.2. Palmitoylierung angeborener Immuneffektoren

Die Aktivierung von Rezeptoren des angeborenen Immunsystems initiiert Signalwege, die zur Produktion von proinflammatorischen Zytokinen einschließlich Tumornekrosefaktoren (TNFs), IFNs, Chemokinen und Immuneffektorproteinen zur Eliminierung mikrobieller Pathogene führen.

3.2.1. IFN-Signalisierung

IFNs binden an den IFN-Rezeptor der Zelloberfläche, was zur Aktivierung von Janus-Tyrosinkinase (Jak)/signaltransduzierender Aktivatoren von Transkriptionswegen (STAT) führt, um die Expression von IFN-stimulierten Genen (ISGs) zu induzieren. Typ-I-IFNs (IFNα/β) binden den IFNAR-Rezeptorkomplex ein, der ein Heterodimer von IFNAR1 und IFNAR2 ist. Radiomarkierung mit [ 3 H] Palmitinsäure identifiziert S-Palmitoylierung von IFNAR1 und IFNAR2 [71]. IFNAR1 ist S-palmitoyliert an Cys463, das in der zytoplasmatischen Domäne nahe der Transmembrandomäne vorhanden ist. Die Mutagenese von Cys463 zu Ala beeinflusst die Rezeptorstabilität, Endozytose oder intrazelluläre Verteilung nicht. Verlust von IFNAR1 S-Palmitoylierung führt zu einer verminderten STAT-Phosphorylierung und Kerntranslokation, wodurch die IFNα-stimulierte Gentranskription beeinflusst wird.

Palmitoylom-Profiling von Adipozyten identifiziert S-Palmitoylierung von vier Proteinen im JAK/STAT-Weg JAK1, STAT1, STAT3 und STAT5A [72]. Die Palmitoylierung von JAK1 und JAK2 wurde in Adipozyten unter Verwendung eines Acyl-RAC-ähnlichen Assays bestätigt. Die JAK1-Palmitoylierung wurde auf hochkonservierte Cys541 und Cys542 kartiert. Die Mutation dieser beiden Cys zu Ser führte zum Verlust von S-Palmitoylierung und beeinträchtigte JAK1-Plasmamembran-Assoziation. S-Palmitoylierung von STAT-Familienmitgliedern STAT1α, STAT1β, STAT3, STAT5B und STAT6 wurden mit metabolischen Markierungs- und Acylaustauschmethoden nachgewiesen [73]. Der kanonische Typ-I- und Typ-III-IFN-Weg beinhaltet sowohl die STAT1- als auch die STAT2-Aktivierung und -Heterodimerisierung, während der Typ-II-IFN-Weg die STAT2-Aktivierung und -Homodimerisierung beinhaltet. STAT2 und STAT4 S- Palmitoylierung wurde nicht berichtet. Kürzlich wurde die STAT3-Palmitoylierung mit der Regulation von T . in Verbindung gebrachth17 Zelldifferenzierung (Abbildung 5ein) [73]. Th17 Zellen sind proinflammatorische T-Zellen, die Interlukin-17 (IL-17) und den Retinsäurerezeptor-verwandten Orphan-Rezeptor gamma t (ROR .) exprimierenγT). STAT3 durchläuft einen Palmitoylierungs-Depalmitoylierungs-Zyklus an Cys108, der durch DHHC7 bzw. APT2 vermittelt wird. Dieser Zyklus beschleunigt Th17 Zelldifferenzierung durch Förderung der Membranassoziation, Phosphorylierung und Kerntranslokation von STAT3. Interessanterweise wird phosphoryliertes STAT3 von APT2 selektiv depalmitoyliert. Beschleunigte Differenzierung von Th17 wurde mit Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht. Es wurde gezeigt, dass DHHC7 und APT2 bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (IBD) hochreguliert sind. Hemmung der APT2-Aktivität oder Knockout von DHHC7 in einem Mausmodell lindert CED-Symptome. Hemmung von STAT3 S-Palmitoylierungs-Depalmitoylierungs-Zyklus könnte daher eine potenzielle therapeutische Strategie für CED sein [73].

Abbildung 5. S-palmitoylierte angeborene Immuneffektoren. (ein) STAT3 dynamisch S-Palmitoylierung in Zellen. STAT3-Palmitoylierung durch DHHC7 führt zu Membranassoziation und Phosphorylierung. Die Depalmitoylierung von p-STAT3 durch APT2 führt zur nuklearen Translokation von p-STAT3 und zur Expression von STAT3-Zielgenen. (B) S-palmitoyliertes IFITM3 schränkt den Eintritt von behüllten Viren in Zellen über den endozytischen Weg ein. IFITM3 kolokalisiert mit virushaltigen Endosomen und verhindert die Freisetzung des genetischen Materials des Virus in das Zytoplasma, indem es die Porenbildung der Virusmembran physikalisch einschränkt und das Virus für den lysosomalen Abbau transportiert. Bild erstellt mit Biorender.com.

3.2.2. IFN-Effektoren

Die Palmitoylom-Analyse identifizierte auch mehrere ISGs in einer murinen dendritischen Zelllinie und murinen embryonalen Fibroblasten, darunter das Stroma-Antigen 2 des Knochenmarks (BST2) oder Tetherin, die immunitätsbezogene GTPase M1 (IRGM1) und das Interferon-induzierte Transmembranprotein 3 (IFITM3) [60] . Wir haben studiert S-Palmitoylierung von IFITM3 und seine Regulierung in unseren Labors in den letzten 10 Jahren. Interferon-induzierte Transmembranproteine ​​(IFITM1, IFITM2 und IFITM3), die hochkonservierte Palmitoylierungsstellen teilen, sind an der Immunantwort des Wirts auf Virusinfektionen beteiligt. IFITM3 ist die aktivste Isoform und beschränkt viele Viren, darunter Influenza-A-Virus (IAV), Dengue-Virus (DENV), Ebola-Virus (EBOV), Humanes Immunschwächevirus (HIV), Hepatitis-C-Virus (HCV) und Zika-Virus (ZIKV) [ 96,97]. IFITM3 hemmt auch Infektionen mit dem SARS-Coronavirus (SARS-CoV) [98]. Überraschenderweise fördert IFITM3 die endemische Infektion des humanen Coronavirus OC43 [99,100]. Neuere Studien zur Pseudovirusinfektion und Zell-Zell-Fusion liefern widersprüchliche Ergebnisse bezüglich einer Rolle von IFITM3 bei der pandemischen SARS-CoV-2-Infektion [101-104]. Infektionsstudien mit echtem SARS-CoV-2 zeigen, dass IFITM3 primär als antiviraler Faktor wirkt, aber eine an der Plasmamembran lokalisierte Endozytose-Mutante als proviraler Faktor wirkt [105].

IFITMs sind in basalen Konzentrationen in vielen verschiedenen Zelltypen vorhanden. Sie werden zum Schutz vor Virusinfektionen intrinsisch in embryonalen Stammzellen exprimiert [106]. IFITMs reduzieren die Anfälligkeit plazentarer Trophoblasten gegenüber Virusinfektionen, hemmen aber auch die Trophoblastenzellfusion, einen wesentlichen Prozess für die Plazentaentwicklung, der durch Syncytin vermittelt wird, das aus der retroviralen Hülle gewonnen wird [107, 108]. Darüber hinaus erweitert die Resistenz von CD8+-residenten Gedächtnis-T-Zellen, die IFITM3 exprimieren, gegenüber einer IAV-Infektion die antivirale Rolle von IFITMs auf adaptive Immunzellen [109,110]. Zwei neuere Studien belegen eine breitere Rolle von IFITMs in den Immunwegen des Wirts über die antivirale Aktivität hinaus. IFITM3 hat sich als entscheidend für die Signalverstärkung der Phosphoinositid-3-Kinase (PI3 K) für die schnelle Expansion von B-Zellen mit hoher Antigenaffinität erwiesen [106]. IFITM3 wurde auch mit Neuroinflammation in Verbindung gebracht, da es die Amyloid-β-Produktion moduliert, indem es die γ-Sekretase-Aktivität reguliert [111].

Palmitoylom-Profiling von dendritischen Zellen der Maus identifiziert IFITM3 S-palmitoylierung [75]. IFITM3 ist S-palmitoyliert an drei Cys-Resten (Cys71, C72 und 105) und Verlust von S- Palmitoylierung führt zur Aufhebung der antiviralen Aktivität von IFITM3 gegen das Influenzavirus (Abbildung 5B) und ein ähnlicher Verlust an antiviraler Aktivität wurde für IFITM1 mit Palmitoylierungsmangel berichtet [112]. Weitere APE-Analysen zeigten, dass Cys72 die Hauptmodifikationsstelle von IFITM3 ist und eine Mutation dieses Rests die antivirale Aktivität signifikant verringert [35].Auch eine massenspektrometrische Analyse von gereinigtem IFITM3 aus Säugerzellen zeigte Cys72 als vorherrschende Modifikationsstelle [113]. Cys72 ist bei den meisten Säugetieren hoch konserviert und wird für die antivirale Aktivität von IFITM3-Orthologen von Mäusen, Fledermäusen und Menschen benötigt [114, 115]. Tatsächlich wurde die Palmitoylierung von evolutionär alten IFITM-Homologen, die in Mykobakterien vorhanden sind, als palmitoyliert, wenn sie in menschlichen Zellen exprimiert werden [116]. Studien zur ortsgerichteten Mutagenese und Bildgebung an lebenden Zellen zeigten, dass Cys72 für den IFITM3-Handel und die Kolokalisation mit dem Influenzavirus im endozytischen Signalweg essentiell ist [117,118]. Jüngste NMR-Studien mit IFITM3, chemisch modifiziert an Cys72 mit Maleimid-Palmitat, zeigen, dass die Lipidmodifikation an Cys72 die amphipathische Helixmembran-Interaktion von IFITM3 stabilisiert, was für die Einschränkung der Virusinfektion wichtig ist [44,119]. Diese Studien zeigen die Bedeutung der ortsspezifischen Palmitoylierung von IFITMs für ihre antivirale Aktivität. Die Überexpression mehrerer Palmitoyltransferasen (DHHC 3, 7, 15 und 20) führt zu einer erhöhten IFITM3 S-Palmitoylierung, aber DHHC20 könnte für die antivirale Aktivität von IFITM3 am wichtigsten sein [120]. Die Rolle der Palmitoylierung von IFITM3 beim PI3 K-Signalweg und der Regulation der γ-Sekretase-Aktivität muss noch untersucht werden.

3.2.3. TNF-Signalisierung

Tumornekrosefaktoren (TNFs) bilden eine weitere wichtige Superfamilie von Zytokinen. TNFα reguliert eine Vielzahl von zellulären Prozessen, einschließlich Entzündung, Proliferation, Differenzierung und kann verschiedene Formen des Zelltods induzieren. TNF wird als Transmembranprotein (tmTNF) synthetisiert und an der Plasmamembran präsentiert, wo es gespalten und als lösliches TNF (sTNF) freigesetzt wird. Das membrangebundene N-terminale Fragment von TNF (NTF) wird weiter durch Signalpeptidpeptidase-ähnliche 2b gespalten, um die intrazelluläre Domäne von TNF . zu erzeugenα (ICD-TNFα). Alle TNF-Formen zeigen biologische Aktivitäten. Metabolische Markierung mit [ 3 H]Palmitinsäure identifiziert S-Palmitoylierung von tmTNF [76]. Jüngste Studien weisen auf eine Rolle der Palmitoylierung bei der tmTNF-Lipid-Raft-Partitionierung, der NTF-Stabilität und der effizienten Spaltung von ICD-TNF . hinα Bildung [121]. Interaktion von S-palmitoyliertes tmTNF mit TNFR1 in Lipid-Rafts verringert die Sensitivität gegenüber sTNF und reguliert so den nachgeschalteten NFkB- und ERK1/2-Signalweg.

Dynamisch S-Palmitoylierung von TNFR1 reguliert auch die TNF-Signalgebung [74]. Die Aktivierung von TNFR1 in der Plasmamembran führt zur Rekrutierung von Komplex-1-Adapterproteinen an TNFR, was zu einer NF-κB-Signalgebung führt. Andererseits löst die K63-Ubiquitylierung und Internalisierung von TNFR1 die Apoptose-Signalisierung aus. TNFR1 kann an mehreren Cys palmitoyliert werden, aber dynamisch S-palmitoylierung am transmembranen proximalen Cys248 reguliert seine Plasmamembranlokalisation. Die Depalmitoylierung von aktiviertem TNFR1 durch APT2 ist für eine verstärkte NF-κB-Signalisierung notwendig, während der Knockdown von APT2 den Caspase-8-vermittelten Zelltod verstärkt und die NF-κB-Signalisierung reduziert. Von anderen Mitgliedern der TNF-Rezeptorfamilie wurde ebenfalls berichtet, dass sie palmitoyliert sind. S-Palmitoylierung von DR4 fördert die Lipid-Raft-Assoziation und die Zelltod-Signalisierung, während DR6 S-Palmitoylierung verhindert die Lipid-Raft-Assoziation [77,78,122].

4. Fazit und Perspektive

In den letzten zehn Jahren haben wir ein besseres Verständnis für S-palmitoylierungsabhängige Regulation von Proteinen in der angeborenen und adaptiven Immunsignalisierung. Dies ist ein Beweis für die Entwicklung chemischer Werkzeuge zum Studium S-palmitoylierung. Die Verwendung dieser chemischen Werkzeuge und Proteomik-Methoden ist erlaubt S-Palmitoylom-Profiling verschiedener Zelltypen und half bei der Entwicklung von in silico Vorhersage von S-palmitoylierungsstellen in Proteinen. Der weitere Einsatz chemischer Inhibitoren und genetischer Methoden half, die Rolle von S-Palmitoylierung bei der Regulierung der Proteinfunktion. Die Kopplung dieser Werkzeuge hat zur Entdeckung neuer Proteine ​​geführt S-Palmitoylierung und Mechanismen der Proteinregulation. Es sollte jedoch beachtet werden, dass für viele mutmaßliche palmitoylierte Proteine, die in großem Maßstab identifiziert wurden, noch eine Funktionsanalyse durchgeführt werden muss S- Palmitoylom-Profiling-Studien, was dies zu einem reichhaltigen Gebiet für zukünftige Untersuchungen macht.

Obwohl wir viel gelernt haben über S-Palmitoylierung haben wir noch sehr wenig Verständnis über die Implikationen einer dynamischen Lipidmodifikation von Proteinen in der Zellsignalisierung und -regulation im Vergleich zu anderen dynamischen Modifikationen wie Phosphorylierung oder Ubiquitinierung.

Wir haben wenig Verständnis für den Mechanismus und die Substratspezifität der Schreiber und Radiergummis der Palmitoylierung. Die strukturelle Charakterisierung einzelner DHHCs und die Entwicklung selektiver DHHC-Inhibitoren sind notwendige zukünftige Fortschritte.

In den letzten Jahren haben wir erkannt, dass die Rolle der S-Palmitoylierung und modifizierende Enzyme in Immunzellen erstrecken sich über antimikrobielle Funktionen unter anderem auf Krebs und Autoimmunerkrankungen. Darüber hinaus wurde ihr Potenzial als attraktives Ziel für therapeutische Interventionen zunehmend verstanden, wie in diesem Review diskutiert wurde.


3.2.3 Transport über Zellmembranen

Möglichkeiten zur Kompetenzentwicklung

Die Grundstruktur aller Zellmembranen, einschließlich der Zelloberflächenmembranen und der Membranen um die Zellorganellen von Eukaryoten, ist gleich.

Die Anordnung und jede Bewegung von Phospholipiden, Proteinen, Glykoproteinen und Glykolipiden im Fluid-Mosaik-Modell der Membranstruktur. Cholesterin kann auch in Zellmembranen vorhanden sein, wo es die Bewegung anderer Moleküle, aus denen die Membran besteht, einschränkt.

Die Bewegung durch Membranen erfolgt durch:

  • einfache Diffusion (mit Einschränkungen durch die Natur der Phospholipid-Doppelschicht)
  • erleichterte Diffusion (unter Einbeziehung der Rolle von Trägerproteinen und Kanalproteinen)
  • Osmose (erklärt durch das Wasserpotential)
  • aktiver Transport (unter Einbeziehung der Rolle von Trägerproteinen und der Bedeutung der Hydrolyse von ATP)
  • Co-Transport (dargestellt durch die Absorption von Natriumionen und Glukose durch Zellen, die das Ileum von Säugetieren auskleiden).

Zellen können durch eine Vergrößerung der Oberfläche oder durch eine Erhöhung der Anzahl von Proteinkanälen und Trägermolekülen in ihren Membranen für einen schnellen Transport durch ihre inneren oder äußeren Membranen angepasst werden.

Studierende sollten in der Lage sein:

  • Erklären Sie die Anpassungen spezialisierter Zellen in Bezug auf die Transportgeschwindigkeit durch ihre inneren und äußeren Membranen
  • erklären, wie sich die Oberfläche, die Anzahl der Kanal- oder Trägerproteine ​​und Unterschiede in Konzentrationsgradienten oder Wasserpotentialen auf die Bewegungsgeschwindigkeit durch Zellmembranen auswirken.

Pflichtpraktikum 3: Herstellung einer Verdünnungsreihe eines gelösten Stoffes zur Erstellung einer Eichkurve zur Bestimmung des Wasserpotentials von Pflanzengewebe.

Pflichtpraktikum 4: Untersuchung des Einflusses einer benannten Variablen auf die Permeabilität von Zelloberflächenmembranen.

Die Schüler konnten die Daten aus ihren Untersuchungen in einem geeigneten Format darstellen.

Die Schüler konnten das Wasserpotential von Pflanzengeweben bestimmen, indem sie den Achsenabschnitt eines Graphen verwenden, zB des Wasserpotentials einer Lösung gegen Massezunahme/-verlust.


6. Vergleichende Biologie der Telomere

Es besteht die allgemeine Überzeugung, dass etwas so Grundlegendes für die menschliche Tumorbiologie wie die Verkürzung der Telomere und die Reaktivierung der Telomerase hoch konserviert und allgemein unter Säugetieren geteilt werden sollte. Langlebige Tiere müssen den Steady State (Homöostase) ihres Gewebes durch ständigen Ersatz der Zellen, die sich regelmäßig differenzieren und sterben, schützen. Ein erwachsener Mensch enthält ungefähr 10 12 sich schnell vermehrende Zellen. Während einer ungefähren Lebensdauer von 80 Jahren (

30.000 Tage) produziert und entsorgt jeder Mensch jeden Tag eine enorme Anzahl von Zellen aus dem Knochenmark, der Haut und dem Magen-Darm-Trakt [29]. Ohne einen Mechanismus, um mit spontanen Raten sporadischer Mutationen umzugehen, würde Krebs beim Menschen viel häufiger auftreten und deutlich früher im Leben auftreten, als es ohnehin schon auftritt. Mechanismen zur Minimierung genomischer Schäden sind für große langlebige Arten unerlässlich. Auch wenn noch viel zu entdecken ist, müssen Organsysteme in großen langlebigen Arten Mechanismen entwickelt haben, die die Anhäufung von Replikationsfehlern (wie etwa eine erhöhte DNA-Reparatur) dramatisch verlangsamen. Alternativ könnte es Mechanismen zur Erkennung von DNA-Schäden geben, die den Zellumsatz erhöhen (z. B. Apoptose), anstatt eine erhöhte Mutationslast zu propagieren.

Basierend auf einer kürzlich durchgeführten Untersuchung der Telomerbiologie, die 㹠 Säugetierarten umfasst, haben wir jetzt einen besseren konzeptionellen Rahmen für das Verständnis der unterschiedlichen Verwendung von Telomeren bei verschiedenen Arten [30,31]. Unsere Ergebnisse belegen, dass der angestammte Säuger-Phänotyp kurze Telomere und unterdrückte Telomerase hatte, was mit der Hypothese übereinstimmt, dass die anfängliche Anpassung an die Homöothermie die Einführung von replikativem Altern beinhaltete, um die erhöhte Mutationslast erhöhter Körpertemperaturen zu kompensieren. Darüber hinaus beobachteten wir, dass die Telomerlänge umgekehrt mit der Lebensdauer korreliert, während die Telomerase-Expression mit der Masse korreliert. Die Rolle des replikativen Alterns als Tumorsuppressionsmechanismus ist allgemein anerkannt, sein Beitrag zur Lebenserwartung bleibt jedoch umstritten. Der Nachweis, dass die Telomerlänge umgekehrt mit der Lebensdauer korreliert, unterstützt die Interpretation, dass das replikative Altern einer von vielen Faktoren ist, die bei einer großen Anzahl von Arten zur Lebensdauer beitragen. Auch der Nachweis, dass oxidative Schutzmechanismen bei Spezies mit langen Telomeren geringer sind [31], legt einen evolutionären Vorteil nahe, das replikative Altern zugunsten von langen Telomeren aufzugeben und die Telomerase bei kleineren Säugetieren nicht zu unterdrücken. Diese evolutionären Studien ermöglichen es nun, die Rolle der Telomere bei Krebs und Alterung beim Menschen in den größeren Kontext der Telomerbiologie von Säugetieren einzuordnen.

Das auf Telomerverkürzung basierende Tumorsuppressorprogramm ist bei Labormäusen offenbar nicht konserviert [32], die in vielen Geweben lange Telomere und konstitutive Telomerase aufweisen. Mäuse sind zwar viel kleiner und leben im Vergleich zu Menschen nur wenige Jahre, aber sie erkranken immer noch in etwa der gleichen Häufigkeit wie Menschen. Daher müssen Mäuse eine weniger gut regulierte Telomerase und schlechtere Schutzmechanismen gegen oxidative Schäden aufweisen, um diese Beobachtungen zu erklären. Es werden jedoch mehr Primärdaten benötigt, damit ein konzeptioneller Rahmen für das Verständnis erhalten wird, warum die meisten kurzlebigen Tiere außergewöhnlich lange Telomere haben. Könnten beispielsweise außergewöhnlich lange Telomere einen anderen Vorteil bieten, wie zum Beispiel G-reich in der Sequenz, um mit erhöhten oxidativen Schäden fertig zu werden?

Um dieses zentrale Problem anzugehen, verwendeten wir phylogenetische statistische Analysen, um den Vorfahrenzustand von Säugetieren zu rekonstruieren. Der angestammte Säugetier-Phänotyp der kurzen Telomere und der unterdrückten Telomerase legt nahe, dass die anfängliche Anpassung an die erhöhte Mutationslast der Homöothermie die Unterdrückung der Telomerase und die konsequente Einführung des replikativen Alterns war. Diese Studien zeigten, dass die Telomerlänge umgekehrt mit der Lebensdauer korrelierte, während sich die Telomerase-Expression mit der Körpergröße entwickelte [31]. Mehrere unabhängige, mal kleinere, kürzer lebende Arten haben sich zu langen Telomeren und exprimierenden Telomerase verändert. Kompromisse bei der Reduzierung der energetischen/zellulären Kosten spezifischer oxidativer Schutzmechanismen (die zum Schutz kurzer Telomere in Abwesenheit von Telomerase erforderlich sind) sind eine Erklärung für den Verzicht auf das replikative Altern. Diese Beobachtungen bieten nun einen neuen Rahmen für das Verständnis der verschiedenen Verwendungen von Telomeren bei Säugetieren, unterstützen die Rolle kurzer Telomere bei der Entwicklung einer längeren Lebensdauer, zeigen die Notwendigkeit, die Telomerlänge in die Analyse vergleichender Studien zum oxidativen Schutz in der Biologie des Alterns einzubeziehen , und identifizieren, welche Säugetiere als geeignete Modellorganismen für die Untersuchung der Rolle von Telomeren bei Krebs und Alterung beim Menschen nützlich sein könnten.


Genomische Instabilität und Alterung

6 Fazit

Genomische Instabilität gilt seit langem als zentrale Triebkraft des Alterns, und im Laufe der Jahre haben sich umfangreiche Beweise angesammelt, die die Anhäufung von DNA-Schäden mit dem Alter und seine Rolle bei der genomischen Instabilität belegen. Die Ergebnisse, dass eine beeinträchtigte Genomerhaltung zu einer verkürzten Lebensdauer von Modellorganismen oder zu vorzeitigen Alterungssyndromen des Menschen führt, legen nahe, dass die Genomerhaltung tatsächlich ein zentraler Anti-Aging-Mechanismus ist.

Die Alterung eines Organismus ist jedoch ein sehr komplexer Prozess, bei dem verschiedene Gewebe nach und nach funktionell abgebaut werden. Da jedes Gewebe seine eigenen Eigenschaften und Herausforderungen hat, ist es wahrscheinlich, dass ihre funktionelle Verschlechterung auch individuellen Mustern folgt. Vijg und Dolle haben ein Modell aufgestellt, wonach das Altern kein klonales Phänomen ist, sondern aus einer zunehmenden Heterogenität der Zellen in einem Gewebe entsteht [99] . Auf Zellebene kann die Anhäufung zufälliger Mutationen zu dieser Heterogenität beitragen. Auf Gewebeebene können verschiedene Herausforderungen an die genomische Integrität das Altern fördern. Zum Beispiel können neurale Zellen, die einen hohen Atmungsbedarf haben, anfälliger für die Anhäufung von oxidativen Schäden und Zelltod sein, während T-Zellen, die auf fortgesetzte Proliferation angewiesen sind, anfälliger für Seneszenz sein können, die durch Telomerverkürzung verursacht wird.

Betrachtet man die genomische Instabilität als einen Mechanismus, der diesen altersbedingten Mosaikismus antreibt, indem sie zur Akkumulation von Mutationen beiträgt und nachgeschaltete Ergebnisse wie veränderte Genexpression, Zellzyklusarrest oder Zelltod fördert ( Abb. 29.2 ), ergibt sich ein besseres mechanistisches Verständnis der Auslöser altersbedingte Verschlechterung von Genom-Erhaltungsmechanismen oder Veränderungen der Kernarchitektur können wertvolle Einblicke in die Rolle der genomischen Instabilität beim Altern liefern. Darüber hinaus wird ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Zellen und Geweben im alternden Organismus helfen, eine Hierarchie der altersbedingten Veränderungen zu bestimmen.

Abbildung 29.2. Mechanismen, die zur genomischen Instabilität beitragen und ihre Rolle während des Alterns.

Graue Blasen DNA-Läsionen darstellen, Pfeile Beiträge von Prozessen zu den gegebenen Ergebnissen angeben, und zweirichtungspfeile auf das Zusammenspiel zweier Prozesse hinweisen.


Chronisch-myeloischer Leukämie

Medikamente gegen die T315I-Mutation

Die Tatsache, dass die T315I-Mutante weder auf Dasatinib noch auf Nilotinib anspricht und dass diese Mutante bei einigen Patienten mit erworbener Resistenz gegen Dasatinib und Nilotinib nachgewiesen wurde, unterstreicht die Notwendigkeit von Arzneimitteln mit T315I-hemmender Wirkung. 21 Ponatinib ist ein Multi-Targeting-Kinase-Inhibitor, der gegen alle BCR-ABL Mutanten, einschließlich T315I. In einer Phase-I-Studie erreichten mehr als 50 % der Patienten in CP, meist Patienten, bei denen zwei oder mehr TKIs versagt hatten, eine CCR. 21 Die CCR-Rate betrug 92 % bei Patienten mit der T315I-Mutation. Bei Patienten mit fortgeschrittener Erkrankung war das Ansprechen weniger häufig und stabil. Dies wurde in einer Phase-II-Studie bestätigt, bei der 51 % der Patienten, die gegen TKIs der zweiten Generation resistent sind oder diese nicht vertragen, und 70 % der Patienten mit T315I BCR-ABL Mutation erfuhr eine starke zytogenetische Reaktion. Ein Jahr nach der beschleunigten Zulassung durch die US-amerikanische FDA wurde jedoch eine große Anzahl von vaskulären Verschlussereignissen, sowohl arterielle als auch venöse thromboembolische Ereignisse, gemeldet, was dazu führte, dass die US-amerikanische FDA das Medikament teilweise klinisch aussetzte. Der Hold wurde aufgrund von Dosisreduktionsempfehlungen aufgehoben, die Anwendung ist jedoch derzeit auf Patienten mit der T315I-Mutation beschränkt oder für die kein alternativer TKI verfügbar ist.

Omacetaxin-Mepesuccinat ist eine halbsynthetische Formulierung von Homoharringtonin, einem Alkaloid, das aus verschiedenen Cephalotaxus Spezies. 22 Es hat einen bestimmten Wirkmechanismus, der mit der Hemmung der Proteinsynthese verbunden ist – was die anfängliche Proteinverlängerung stört – was zu einer verringerten Menge an Proteinen führt, die für das Überleben von Leukämiezellen wichtig sind, einschließlich BCR-ABL MYC und MCL1. Omacetaxin ist für die Behandlung von erwachsenen Patienten mit CP oder AP CML mit Resistenz oder Unverträglichkeit gegenüber zwei oder mehr TKIs zugelassen. Von 111 CP- oder AP-CML-Patienten, die zwei oder mehr vorangegangene TKIs erhielten, wurde bei 18 % der Patienten mit CP ein starkes zytogenetisches Ansprechen mit einer medianen Ansprechdauer von 12,5 Monaten und ein starkes hämatologisches Ansprechen bei 14 % der Patienten mit AP erreicht, mit einer medianen Reaktionsdauer von 4,7 Monaten. Omacetaxin wird als Durchstechflasche zum einmaligen Gebrauch zur parenteralen Verabreichung geliefert. Häufige Nebenwirkungen waren Thrombozytopenie, Anämie, Neutropenie, Durchfall, Übelkeit, Müdigkeit, Asthenie, Reaktionen an der Injektionsstelle, Fieber und Infektionen.


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